Препарирование полостей с помощью лазеров (Часть I)

Roeland Jozef Gentil De Moor, Professor and Head of Department, Department of Operative Dentistry and Endodontology, Dental School, Ghent University, Ghent University Clinic, Belgium Katleen Ilse Maria Delm Assistant Professor, Department of Operative Dentistry and Endodontology, Dental School, Ghent University, Ghent University Clinic, Belgium

Впервые использование рубинового лазера (693,4 нм) было описано в 1960 г. и применено для аблации твердой ткани в 1964 г. При этом последовательно изучались различные длины волн: Nd:YAG (1.065 μm), CO2 (9.6 μm), Ho:YAG (2.12 μm).

Из-за значительных термических побочных эффектов эти длины волн вызывали повышение температуры в дентальной пульпе, а также приводили к возникновению микротрещин и карбонизации, поэтому использование данного типа лазеров для препарирования твердой ткани зуба было прекращено.

В конце 1980-х были разработаны эксимерный (ультрафиолетовый участок спектра) и эрбиевый (инфракрасный участок) лазеры, преимуществами которых стал улучшенный контроль за температурой и меньшая глубина проникновения излучения.

Благодаря разработке меньших по размеру устройств и накоплению знаний о том как ограничить повреждение окружающих тканей в 1990-х годах были созданы новые техники аблации.

До сих пор в различных литературных источниках имеются противоречия относительно того, какие длины волн подходят для удаления твердой ткани, также остаются различия в выборе параметров и значений плотности энергии. В данном обзоре оцениваются различные длины волн, применяемые сегодня для препарирования полостей.

По нашему заключению наиболее эффективными являются эрбиевые лазеры (Er:YAG и Er,Cr:YSGG), у которых при использовании правильных параметров термические побочные эффекты малы.

Существует необходимость в «золотом стандарте», хотя на практике разработка протоколов при использовании различных параметров лазера (включая частоту следования импульсов, степень охлаждения, энергию импульса и типы импульсов) с учетом специфики тканей-мишени (взаимодействие со здоровой или пораженной эмалью или дентином и степень (де)минерализации) затруднительна, так как каждый из перечисленных параметров влияет на взаимодействие тканей и лазерного излучения.

ВВЕДЕНИЕ

За последние несколько десятилетий научные достижения в кариесологии, разработке стоматологических материалов и диагностических систем изменили подход к лечению кариеса – от расширенного препарирования по Блэку до минимально инвазивной терапии. При удалении кариозного поражения целью является минимально возможная инвазия в ткани коронки зуба.

Изначально считалось, что удаление здоровых тканей зуба необходимо для того, чтобы убедиться в полном удалении пораженной ткани и добиться хорошей ретенции при изготовлении реставраций. Такие подходы были приняты в отсутствие адгезивных техник и на основе расширительных принципов, сформулированных Блэком.

Благодаря появлению адгезивной стоматологии концепция геометрических форм препарируемых полостей более не является доминирующей и на сегодня существует ряд альтернатив механической экскавации с помощью вращающегося инструмента, например, лазерная аблация.

В 1960 г. Theodore Maiman разработал первое лазерное устройство, которое испускало луч интенсивного яркого цвета из рубинового кристалла. В последующие несколько лет исследователи изучали возможность применения этого лазера с видимым излучением.

Дерматолог доктор Leon Goldman, который экспериментировал с удалением татуировок рубиновым лазером (0.69 мкм), в 1965 году использовал импульсы красного цвета для воздействия на зуб. Результатом стало растрескивание поверхности эмали без болезненных ощущений у пациента.

Примерно в этот период поводились и другие эксперименты, однако применение рубинового лазера не было слишком успешным: как и ожидалось, он испарял твердую ткань зуба, но при этом наблюдался заметный подъем температуры в окружающих тканях, сопровождающийся существенными повреждениями.

Другие лазеры, такие как неодимовый (Nd:YAG – 1.065 мкм) и углекислотный (CO2 – 9.6 мкм) были признаны не подходящими для этих целей, поскольку из-за глубокого проникновения излучения транспортировали тепло в пульпу, особенно Nd:YAG и рубиновый лазер. Гольмиевый (Ho:YAG – 2.12 мкм) лазер изучался в 1990-х годах – в этом случае также наблюдались заметный подъем температуры в пульпе, появление микротрещин и карбонизация.141 Сегодня лазеры с более подходящими для препарирования зуба длинами волн стали широко распространенными.

Фото 1 иллюстрирует электромагнитный спектр нескольких лазеров. Эксимерные лазеры (газовые лазеры, основанные на нестабильных молекулах, называемых эксимерами), которые работают в УФ-диапазоне, 53,104 и эрбиевый лазер, который работает в инфракрасном диапазоне 75,76,89,90 были разработаны в конце 1980-х – при их использовании подъем температуры оказывался под большим контролем, глубина проникновения была меньше. 53,76,89,104 УФ-излучение эксимерного лазера может эффективно испарять ткань благодаря фотохимическому взаимодействию без выделения тепла.

Однако не удалось разработать эффективную систему транспортировки луча эксимерного лазера по оптическому волокну, лазер сам по себе был очень дорогим (при этом не имелось очевидного потенциала к снижению его размера и стоимости), а газ имел ограниченное время использования. 182

Поэтому устройствами выбора для работы с твердыми тканями зуба стали эрбиевые системы – в них применяется наиболее многообещающая длина волны для препарирования микрополостей согласно концепциям микростоматологии, минимально инвазивной стоматологии или стоматологи с минимальной интервенцией.

В середине 1990-х исследователи проверяли безопасность и возможность применения длины волны Er:YAG для препарирования твердых тканей.25,79,103,144 Исследования показали, что при использовании подходящих режимов и при адекватном водяном охлаждении термические повреждения дентина и эмали были минимальны.

При использовании этой длины волны без водяного охлаждения появлялись микротрещины и термические повреждения, характерные для лазеров предыдущего поколения. В 1997 г. эрбиевые лазеры были сертифицированы FDA (США) для дентального применения (FDA допустила к использованию импульсный Nd:YAG лазер, разработанный Myers and Myers для интраоральной хирургии мягких тканей несколькими годами ранее – это был первый лазер, созданный специально для общей стоматологии134), за чем последовало разрешение использовать их для удаления кариеса, препарирования полостей и кондиционирования поверхности зуба.77,172

В конце 1990-х для клинического использования при обработке твердых тканей были доступны три длины волны. К ним относились: Er:YAG (2,94 мкм), Er,Cr:YSGG, (2,88 мкм) и Er:YSGG (2,79 мкм). Именно они формируют семейство эрбиевых лазеров.

Исследования, посвященные безопасности и эффективности Er,Cr:YSGG показали, что это точный инструмент для аблации кости и дентальной твердой ткани.46,150,151 Для длин волн Er:YAG и Er,Cr:YSGG характерно пиковое поглощение водой в инфракрасной области. Однако поглощение излучения Er:YAG лазера (13,000 см-1) значительно выше, чем у Er:YSGG (7,000 см-1) и Er,Cr:YSGG (4,000 см-1).20,165. Поэтому эффективность аблации выше всего у Er:YAG лазера.

За последние три десятилетия также тестировались неэрбиевые системы лазерного препарирования полостей. Важно подчеркнуть, что на сегодняшний день альтернативные лазерные системы, включающие суперимпульсные CO2, Ho:YAG, Ho:YSGG, Nd:YAG, диодные и эксимерные лазеры не доказали своей применимости для препарирования полостей в стоматологической практике.

Несмотря на то, что только лазерные системы на основе эрбия являются подходящими для удаления дентальной твердой ткани, до сих пор проводятся многочисленные исследования других длин волн, и ряд производителей и исследователей предлагает использовать их для препарирования полостей. 40,178

Целью данного обзора является сравнение использования различных длин волн для препарирования полостей в дентальных твердых тканях.

БИОФИЗИКА ЛАЗЕРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ТВЕРДЫЕ ТКАНИ

Взаимодействие лазерного излучения и ткани

В зависимости от оптических свойств ткани-мишени возможно четыре вида взаимодействия лазерного излучения и ткани. 1. Поглощение лазерного излучения тканью. Количество поглощенной энергии зависит от характеристик ткани, таких как пигментация и содержание воды, а также от длин волны и режима излучения лазера. 2.

Прохождение лазерной энергии через ткани – противоположность поглощения – не оказывает воздействия на ткань-мишень. Данный эффект в значительной степени зависит от длины волны лазерного излучения. 3. Отражение луча от поверхности ткани – также не оказывает воздействия на ткань-мишень. Лазерное устройство обнаружения кариеса использует отраженный свет для измерения степени твердости ткани зуба.

Описаны два типа отражения:

- Полное отражение – пример зеркального отражения света от поверхности при котором луч, пришедший с одного направления (луч А) отражается в другом направлении.

– Диффузное отражение, при котором падающий луч отражается в большом количестве направлений (наиболее очевидный пример различия между полным и диффузным отражением – блестящая и матовая поверхности).

То, является ли поверхность гладкой или имеет микроскопическую шероховатость, соответственно, оказывает огромное влияние на тип отражения луча света. 4. Отражение с рассеиванием. При этом происходит рассеивание энергии, полезного билогического эффекта не наблюдается. Фото 2 иллюстрирует возможные типы взаимодействия лазерного излучения с тканью- мишенью.

Удаление твердых тканей –поглощение и лазерная аблация.

Биофизические характеристики лазерной аблации твердых тканей включают длину волны, мощность и длительность импульса лазерного излучения, а также свойства тканей (их реакцию на излучение). Именно за счет поглощения лазерной энергии тканью-мишенью происходит удаление тканей, что является основным позитивным эффектом лазерного облучения.

Смысл использования стоматологического лазера заключается в том, чтобы оптимизировать этот биологический эффект.42.

И поглощение или трансмиссия лазерного излучения в средней инфракрасной области спектра, и поглощающая способность воды и гидроксиапатитов напрямую зависят от длины волны. Низкие значения поглощения достигаются при длине волны 2 мкм, высокие – 3 и 10 мкм. Поглощающая способность воды и гидроксиапатиов при длине волны 1 мкм приблизительно в 10000 раз меньше, чем при 3 мкм.

Удаление структур зуба основано на принципе аблации или декомпозиции биологического материала и задействует фотохимические, фото-термические и плазменные механизмы.175

Фотохимическая аблация типична при использовании очень коротких волн (УФ-излучение, продуцируемое эксимерным лазером), в то время как плазменная аблация как правило происходит при значительной концентрации энергии в облучаемой зоне и поэтому находится в сильной зависимости от используемой длины волны.130

Эффективность фотохимической аблации при работе с твердыми тканями зуба практически равна нулю, а лазеры для плазменной аблации для повсеместного применения еще находятся в разработке.

На настоящий момент удаление лазером тканей зуба основано на принципе термической аблации: в процессе поглощения энергия лазера взаимодействует с тканью-мишенью, что приводит к повышению температуры. Ударная волна возникает в тот момент, когда энергия взрывообразно рассеивается и происходит объемное расширение воды в твердых тканях. Этот процесс называется кавитацией.

По этой причине для эффективного преобразования полученной энергии в тепло в облучаемом материале должен содержаться абсорбирующий компонент. Все твердые ткани зуба содержат воду: молекулы воды в ткани-мишени перенагреваются, происходит резкое расширение и, наконец, аблация структуры зуба/кариозного поражения (фото 3).

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Вода, содержащаяся в тканях зуба – главный (следом идут гидроксиапатиты и коллаген) абсорбирующий компонент при лазерной аблации. Хотя эрбиевый лазер наиболее эффективен в данном случае, в литературе все еще рассматривается возможность применения Nd:YAG, CO2, и Ho:YAG лазеров. Поиск релевантных статей производился с помощью PubMed и Web of Science.

Были использованы следующие ключевые слова: лазер (а также Nd:YAG; CO2; Ho:YAG; Er:YAG; Er,Cr:YSGG), эмаль, дентин, лечение кариеса, препарирование полостей, минимально инвазивная стоматология. Поиск был ограничен материалами на английском языке. Перед началом работы все статьи оценивались, нереферируемые и коммерческие статьи отсеивались; проверялись ссылки и дата публикации (не позднее 31 марта 2008 года).

Nd:YAG лазер

В 1977 году Adrian исследовал воздействие Nd:YAG лазера на пульпу зуба макакрезус.1

И хотя результаты его работы носили предварительный характер, был сделано предположение о возможности использования этого лазера в качестве медицинского для препарирования твердых структур зуба. Энергия лазера Nd:YAG слабо поглощается твердыми тканями зуба и поэтому имеет большую глубину проникновения. Следовательно, взаимодействие с твердыми тканями незначительно. Это означает, что тепло может доставляться на более глубокие слои, приводя к сильному нагреву.118

Повышение температуры может зависеть от направления дентиновых канальцев: их направление перпендикулярно поверхности (параллельно лазерному лучу) способствует проникновению тепла.120 Von Fraunhofer и Allen176 сообщают, что при использовании Nd:YAG лазера риск повреждения пульпы возникает даже при иррадиации мощностью 1 Вт в течение 12 секунд. Однако Goodis и другие исследователи (66) не отмечают изменений в тканях пульпы вплоть до использования луча мощностью 3 Вт в течение 2 минут.

Как бы то ни было, в 1995 году использование Nd:YAG лазера для удаления кариозных повреждений эмали первой степени было одобрено. Однако более поздние исследования продолжают уделять внимание риску температурных повреждений после облучения со значениями плотности энергии, необходимыми для эффективного препарирования полостей 166,171.

В силу того, что коэффициент поглощения ткани-мишени зависит от длины волны, взаимодействие лазерного луча и ткани-мишени может быть улучшено за счет поверхностных агентов, улучшающих абсорбцию.22,33,43,181 В стоматологической литературе рассматривается использование различных красителей,36,85 усиливающих способность к поглощению лазерного излучения специфической длины, которое позволяло достичь значительно лучших результатов. Для более качественного удаления тканей Nd:YAG лазером можно наносить на поверхность черную краску.117,118

При использовании низких значений мощности без подкрашивания скольлибо эффективное удаление тканей возможно только когда суммарная энергия превышает 260 Дж. 37. Кариозные (пигментированные) области поглощают излучение Nd:YAG лазера лучше, чем здоровая эмаль. Hennig и соавторы73 продемонстрировали, что кариозная ткань лучше поглощает излучение и, как следствие, демонстрирует меньший порог аблации, чем здоровая эмаль.

Таким образом, применение Nd:YAG лазера в импульсном режиме подходит для удаления кариеса поскольку при этом будет удаляться кариозная эмаль, а здоровая эмаль будет оставаться интактной. Эти исследования были подтверждены в 2002 году Harris и соавторами,71 которые удостоверились в эффективности удаления кариозной ткани с одновременной консервацией подлежащих здоровых участков и выступили в пользу использования Nd:YAG лазера для препарирования кариозных поражений первой степени.

Совместное использование геля Carisolv (MediTeam Dental, Svedalen, Швеция) для пропитки кариозного корневого дентина с последующей обработкой Nd:YAG лазером доказало свою эффективность, при этом не возникало смазанного слоя. Клиническая и гистологическая оценка витальности пульпы в процессе выборочного удаления кариеса эмали не выяви- ли отклонений.71 В более поздних исследованиях, однако, отмечалось повреждение клеток, хотя его и можно было обнаружить только под электронным микроскопом.83

Поэтому, согласно Moritz с соавторами,130 результаты воздействия Nd:YAG лазера необходимо еще раз критически исследовать. Также необходимо подчеркнуть, что уровень аблации у эрбиевого лазера больше, чем у Nd:YAG.138 Это справедливо и для Ho:YAG лазера.30,138 Для удаления кариозного дентина Nd:YAG лазером требуется больше времени, чем при использовании Er:YAG.185.

Параметры препарирования эмали и дентина, длина волны, режим (непрерывный или импульсный) и тип воздействия лазера (контактный или бесконтактный) – важные факторы, обуславливающие внутрипульпарное повышение температуры и морфологические изменения в дентине.171 Теоретически возможно, что в импульсном режиме происходит охлаждение, для постоянного режима это неверно. Это теоретическое охлаждение предсказуемо при использовании импульсного излучения, энергия которого хорошо поглощается тканями. Однако рассчитать охлаждающий эффект для длин волн, слабо или беспорядочно поглощаемых тканями, сложно.

Время термической релаксации тканей хорошо известно для мягких тканей, однако для кальцифицированных тканей, таких как кость, эмаль или денин точно не определено.78,119 Как способ предотвращения термического повреждения пульпы без снижения эффективности удаления тканей рассматривалось использование пико- и наносекундных импульсов.107-112

Пикосекундные импульсы удаляют строго определенные участки зуба с минимальной промежуточной зоной, в то время как наносекундные импульсы эквивалентной мощности формируют большую переходную зону между удаляемыми и нормальными тканями и полностью модифицируют поверхность оригинальной структуры. Для минимизации термических повреждений окружающих тканей (1) продолжительность импульса должна быть меньше, чем константное значение времени термической релаксации ткани (2) частота следования импульсов должна быть подобрана так, чтобы интервал между ними был больше времени термической релаксации, что позволит тканям охлаждаться почти до нормальных значений.

Пикосекундное воздействие Nd:YAG лазером сопряжено с гистологическим отсутствием термически измененных тканей. Уменьшение продолжительности импульсов позволяет увеличить мощность лазерного луча, что приведет к нелинейному поглощению и нетепловому удалению тканей. При использовании этих параметров у доступных на сегодняшний день Nd:YAG лазеров в кратерах по-прежнему обнаруживается карбонизация, хотя риск повреждения пульпы из-за воздействия высоких температур значительно снижен.109,110,118.

Альтернативный метод предотвращения возникновения негативных термических эффектов – охлаждение обрабатываемых тканей водой: оно не позволяет импульсу Nd:YAG лазера проникать в глубину, и он воздействует только на поверхностные ткани.127 Dederich43 указывает на тот факт, что водное охлаждение не ограничивает проникновение, но может контролировать образование плазмы и охлаждать поверхность тканей.

Охлаждение водой подходит для предотвращения описанных выше термических эффектов, но повышение температуры при использовании воды все равно вызывает повреждение пульпы.68 Экспозиция обычными Nd:YAG лазерами и используемая мощность энергии, необходимая для удаления тканей, обычно приводит к таким эффектам как оплавленный дентин, растрескивание поверхности, и модификация структуры дентинных канальцев за счет оплавления их периферических участков.

Спектроскопия продемонстрировала, что иррадиация Nd:YAG лазером, приводит к частичной декомпозиции гидроксиапатита и карбонизации коллагена в дентине. Ariyaratnam и соавторы13 наблюдали эту же глобулярную структуру дентина и продемонстрировали, что сила сцепления была меньше, чем при использовании обычного дентального бондинга.

Еще раньше Kinney и соавторы95 описали изменения в подвергшемся лазерному воздействию дентине, включая снижение проводимости энергии лазера, оплавление и повторное отверждение дентина на глубине, ограниченной 50 мкм, увеличение шероховатости поверхности, значительные изменения в органическом и минеральном составе дентина (уменьшилось соотношение Ca/P и увеличилось соотношение Mg/Ca) и рекристаллизация и увеличение зернистости апатитов.

Эти ультраструктурные изменения и изменения в составе можно объяснить воздействием высоких температур и давления, индуцированного микроплазмой в процессе лазерной иррадиации95,154,158 Вследствие морфологических изменений поверхности дентин, обработанный Nd:YAG лазером, демонстрирует более высокую рентгеноконтрасность – примерно на 6,36%.23

Анализ поперечных срезов дентина после облучения Nd:YAG лазером (импульсный режим, энергия импульса 100 мДж, частота 10 имп./сек., время воздействия – 4 сек.) демонстрирует выделение в дентине трех ультраструктурных областей: (1) внешняя область с упорядоченной столбчатой структурой, образованной гидроксиапатитами и бета-трикальцийфосфа- том, (2) средняя область, сформированная аморфной субстаницей (ок. 40 – 70 мкм), и (3) внутренняя область с четко кристализованными зернами гидроксиапатита.

Ни в одной из областей не было пор и пустот.101 Нерегулярная поверхность, образующаяся в результате воздействия Nd:YAG излучения, также исследовалась с точки зрения адгезии. Некоторые производители заявляют, что Nd:YAG может использоваться в качестве альтернативы кислотному протравливанию для подготовки поверхности эмали к сцеплению с композитными материалами.

Ряд исследователей изучали возможность подобного применения Nd:YAG, оценивали изменения в морфологии поверхности эмали,74,76,147 анализировали текстуру поверхности,11,12,140 шероховатость,4 прочность,180 адгезию к обработанным лазером эмали и дентину 124,128,129 и возможность использования Nd:YAG для лазерного протравливания (модификация поверхности при меньшей плотности энергии).74

В целом (хотя дискуссия все еще продолжается) исследователи пришли к заключению, что облучение Nd:YAG лазером дентина и эмали при низкой мощности (также называемое лазерным протравливанием), изученное с точки зрения как прочности на раз- рыв, так и на растяжение, не улучшает адгезию. Улучшенная сопротивляемость кислотному воздействию позволила некоторым авторам предложить использовать Nd:YAG лазер для повышения сопротивляемости кислотной деминерализации границ полостей, а также для предупреждения вторичного кариеса.19,80,186,187

Другие уделили особое внимание наблюдению за вызванными лазером морфологическими изменениями, не обнаружив заметных кариес-защитных эффектов.94 В этой связи следует отметить, что наблюдается возникновение трещин и макроскопических пустот, которые делают возможным проникновение внутрь деминерализующих агентов.

На сегодняшний день гораздо больше внимания уделяется использованию Nd:YAG лазера (с четко определенными безопасными параметрами излучения – с меньшей, чем при препарировании полостей, мощностью) как инструмента для запечатывания дентинных канальцев, приводящего к морфологическим изменениям, обеспечивающим лечение гиперчувствтельности зубов.39,100,101 Исследования in vivo подтверждают наличие таких морфологических изменений.100

Также продолжается исследование возможности использования Nd:YAG лазера для улучшения маргинального запечатывания в сочетании с кислотным протравливанием,142,149 хотя аргументы в пользу этого метода не очевидны и процедура часто связана с расширенным кондиционированием.10 Поскольку вещество зуба может «оплавляться», Nd:YAG лазер используется для запечатывания границ эмали и композитных реставрацией.

По сравнению с использованием силеров или процедуры ребондинга наблюдается улучшенное маргинальное запечатывание границ и уменьшение микроподтеканий композитных реставраций.137

Продолжение - Часть II

Источник: "Инновационная стоматология 1/2010"

Академия инновационной стоматологии "АИСт" - http://academia-aist.ru/