автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Исследование режимов обработки твердых тканей зуба человека излучением лазера на иттрий-алюминиевом гранате, активированном ионами эрбия

_Санкт-Петербургский государственный институт__

точной механики и оптики (технический университет)

Нл праэвх руквпнея

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ТКАНЕЙ ЗУБА ЧЕЛОВЕКА ИЗЛУЧЕНИЕМ ЛАЗЕРА НА ИГТРИЙ-АЛЮМИНИЕВОМ ГРАНАТЕ,

АКТИВИРОВАННОМ ИОНАМИ ЭРБИЯ „ г^^

О

Специальность 05.27.СЗ - Кеэнтгнэя электроника

Автореферат

диссертации на соиечяние ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1696 -

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном институте точной механики и оптики (техническом университете)

доктор технических наук, профессор

доктор физико-математических наук, профессор

Григорий Борисович Альтшулер

Михаил Наумович Либенсон

кандидат физико-математических наук,

доцент Галине Дмпгрксим« Шандыбина

ВНЦ ГОИ им. С.И. Вавилова {г. Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится • • /Ч Q |OTQ_199S года

пО часовминут на заседании специализированного совета К.053.26.02 при Санкт-Петербургском государственном институте точной механики и оптики (техническом университете) по адресу: ¡97101, Санкт-Петербург, Саблинскал улица, дом 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан * fQ " ^jXi'-ßpQ А Я_ 1996 года. Ваши

отзыры и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим высылать по адресу: 197101. Санкт-Петербург, Саблинскал улица, дом Н, секретарю специализированного совета К.053.26.02.

Учений секретарь специализированного cottma К.Ш.26.02

Владимир Игоревич Юр<авич

-------------------ВБОтХАРШЕЕИИИКА РАБОТЫ_______________

Л к ту ал ь пост ь работ ы.

В последние годы широкое применение лазеров в медицине и биологии привело к созданию новых оптических технологий в области диагностики и обработки мягких и твердых биотканей лазерным излучением. Одним из наиболее перспективных направлений лазерной медицины на сегодня является стоматология, интерес которой к применению лазеров во многом определяется значительными преимуществами лазерного удаления твердых тканей зуба (например, безболезненностью, атравматичностью, локальностью воздействия, более высокой комфортностью процедур) по сравнению с традиционными технологиями.

Впервые предложенная и реализованная в 1985 году российскими учеными возможность эффективной обработки твердых тканей зуба импульсным излучением лазера на основе иттрий-алюминиевого граната, активированного ионами эрбия (УАв:Ег), открыла новые перспективы развития медицинских технологий и пути создания принципиально новой аппаратуры для лечения кариеса и других заболеваний зубов.

К моменту начала настоящей работы (1991 год) в литературе была представлена лишь фрагментарная информация эмпирического характера о физических процессах, происходящих при лазерном разрушении эмали и дентина. Теоретические модели, описывающие эти явления, практически отсутствовали. Большинство экспериментальных данных об оптико-физических свойства* зубных тканей нуждались в уточнении. В литературе не было представлено также надлежащего обоснования применяемых на практике методов лазерного удаления змали и дентина, особенностей перегрева пульпы зуба при лазерном воздействии и т.п. Очевидно, что отсутствие подобной информации существенно сдерживало разработку и создание реальных медицинских технологий лазерной обработки зубов. Лишь в последние годы появились публикации, в которых сообщается о первых попытках выяснения закономерностей механизмов лазерного разрушения твердых биотканей, и получен ряд достоверных экспериментальных данных для некоторых частных случаев.

Предегаеяенная работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям, результаты которых позволили установить основные закономерности взаимодействия мощного излучения УАС.'Ег лазера с твердыми тканями зуба и определить на их основе ' птимальные режимы лазерной деструкции.

Целью настоящей работы являлось:

- создание модели для описания лазерной деструкции твердых тканей зуба субмиллисекундными импульсами излучения YAG:Er лазера (средний инфракрасный диапазон длин волн);

- выяснение основных закономерностей и особенностей удаления зубных тканей излучением VAQ:Er лазера;

- определение оптимальных режимов лазерной обработки эмали и дентина зуба человека.

Основные новые научные результаты и положения, выдвигаемые па защиту:

1. Пред пажена и обоснована четырехстадийная модель лазерного разрушения твердых тканей зуба человека субмиллисекундными импульсами YAG:Er лазера.

2. Экспериментально установлено, что эффективность удаления твердых тканей зуба человека субмиллисекундными импульсами излучения YAG:Er лазера зависит от длительности импульсов, причем ее величина возрастает с уменьшение.« длительности импульсов излучения.

3. Показано, что при водяном орошении зависимость эффективности удаления эмали зуба человека излучением YAG:Er лазера от обьемного расхода хладагента имеет максимум, а аналогичная зависимость для дентина носит монотонно убывающий характер.

4. Обнаружено, что при однократном лазерном воздействии эффективность удаления твердых тканей зуба человека в контактном режиме выше, чем в неконтактном при одинаковой платности энергии и длительности импульса излучения.

Практическая ценность работы,

В работе определены режимы эффективной обработки твердых тканей зуба человека излучением YAG:Er лазера. Установлена область оптимальных (с точки зрения высокой эффективности удаления и минимального уровня механических и тепловых повреждений тканей, окружающих место воздействия) энергетических, временных и про-транственных характеристик лазерного излучения. Доказаны преимущества практического использования водяного орошения и технологии оконтуривания при лазерной деструкции эмали и дентина. На основе результатов, полученных в данной работе, сформулированы основные принципы построения лазерных стоматологических систем.

Рекомендации, изложенные в настоящей работе, использовались при создании опытных образцов стоматологического оборудования "Лазерного Центра-ИТМО* (Россия) и фирмы 'LMS* (Австрия).

ЛИробицйя работы.

Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на следующих конференциях: "Biomedical Optlcs'92", Los Angeles, USA, 1992 г.; "Lasers In Dentistry", S-Lake City, USA, 1992 г.; "U.ter Application In Life Science", Jyvaskyta, Finland, 1992 г.; "Biomedical OpticsW', Los Angeles, USA, 1993 г.; "DiOS Europe'9}", Hungary, 1993 г. "Оптика лазеров", СПб, Россия, 1993 г.; "Advanced Lasers in ßentestry'94", СПб, Россия, 1994 г.; "Оптика лазеров", СПб, Россия, 1994 г.; "RÍOS Europe'94", France, 1994 Г.; "Biomedical Opttcs'95", San Jose, USA, i 595 г., "aiOS Europe'9Sn, Spain, 1995 г.; "Biomedical Optics'96", San Jose, USA, 1996 г

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано восемь статей (в отечественных и зарубежных научных изданиях).

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных обозначений и сокращений, а также списка литературы из 335 наименований. Диссертация изложена на 135 страницах основного т,?кста, иллюстрированного 53 рисунками, графиками и таблицами.

Во введении содержится обоснование актуальности темы диссертационной работы. Сформулированы цели, новые научные результаты и

положения, выносимые на защиту, практическая ценность работы. Кратко рассмотрены структура и основное содержание диссертации.

Первая глава включает в себя аналитический обзор ряда отечественных и зарубежных публикаций, посвященных вопросу взаимодействия лазерного

излучения с твердыми тканями зуба.

Первый параграф содержит краткую информацию об объекте исследования - зубе человека.

Во втором и третьем параграфах рассмотрены известные механизмы взаимодействия лазерного излучения с био'< ханями, а также представлены наиболее распространенные модели лазерной деструкции.

В четвертом параграфе описаны особенности взаимодействия с твердыми тканями зуба человека излучения лазеров инфракрасной, видимой й

ультрафиолетовой областей спектра. Отмечено, что во многих работах отсутствует анализ отклика эмали и дентина на изменение энергетических и пространственно-временных параметров лазерного излучения. Обоснован вывод о существовании на сегодня двух перспективных для стоматологии лазеров - У5Сй:Сг,Ег и УАС:Ег, излучение которых способно эффективно и ¿травматично удалять ткани зуба.

Пятый параграф включает в себя обзор результатов исследования лазерного удаления ряда современных пломбировочных материалов.

В шестом параграфе рассматриваются медицинские аспекты лазерного воздействия на зубные ткани.

Седьмой параграф содержит основные выводы по первой главе:

- по-прежнему высок интерес к использованию лазерного излучения в стоматологии;

- применение лазеров в качестве стоматологического инструментария накладывает на них ряд специфических требований, в связи с чем особое внимание при изучении взаимодействия излучения с тканями зуба надо уделять комплексной оценке таких параметров, как эффективность удаления и внутрипульпарный перегрев, а также разработке методик облучения;

- наиболее перспективными на сегодня лазерными источниками для создания стоматологического инструментария видятся У5СС:Сг,Ег и УАС:Ег лазеры.

Во второй главе обсуждены наиболее существенные аспекты постановки задачи взаимодействия эрбиевого излучения с эмалью и дентином зуба человека. Предложена и обоснована четырехстадийная модель лазерного разрушения твердых тканей зуба субмиллисекундными импульсами УАС:Ег лазера. Наиболее детально рассмотрена третья стадия модели. Для нее сделаны оценки скорости движения фронта разрушения твердых тканей зуба в приближении теплофизической модели кеазинепрерывного разрушения, которая строилась на базе рассмотрения одномерной задачи Стефана. Было показано, что скорость движения фронта лазероиндуцированного разрушения эмали и дентина способна достигать десятков сантиметров в секунду, что гоьорит о перспективности практического использования данного лазера в стоматологии.

¡рсшъя глава представляет результаты экспериментальных исследований особенностей удаления твердых тканей зуба человека излучением УАй.Ег лазера в неконтактном режиме (излучение фокусируется непосредственно на поверхность объекта).

Первый параграф содержит описание схемы многофункционального УАОЕг лазерного комплекса, который поззолял проводить--исследования эффективности удаления эмали и дентина зуба человека с одновременным контролем величины внутрипульпарного перегрева при различных параметрах лазерного излучения и условиях обработки. Здесь также пояснены методики измерений, расчетов и подготовки образцов.

В рамках второго параграфа представлены результаты экспериментального исследования влияния на эффективность удаления зубных тканей параметров излучения УАй:Ег лазера и методик обработки:

- На основе оценок эффективности деструкции и данных Сканирующей электронной микроскопии определен оптимальный диапазон плотностей энергии излучения, в котором достигается эффективная и атравматичная обработка эмали и дентина.

- Экспериментально установлено, что эффективность удаления твердых тканей зуба человека субмиллисекундными импульсами излучения зависит от длительности импульсов, причем ее величина возрастала с уменьшением длительности импульсов излучения (см. рис.1).

- Показано существенное повышение (в среднем на 50%) эффективности лазерного удаления твердых тканей зуба человека при определенной геометрии облучения

- Исследовано влияние параметров водяного орошения на эффективность деструкции зубных тканей. Установлено, что применение ирригации (особенно импульсной) может привести к повышению эффективности лазерного удаления (в среднем на 20%) по сраь.ению со случаем, когда ирригация не применяется. Показано влияние объемного расхода хладагента на эффективность обработки, причем для эмали данная зависимость носит экстремальный, а для дентина -монотонно убывающий характер (рис.2). Рассмотрены особенности процесса удаления зубных тканей при изменении параметров импульсного орошения.

Третий параграф посвящен изучению особенностей поведения внутрипульпарного перегрева при воздействии на зуб человека излучения УАС.Ег лазера. Установлен факт уменьшений перегрева пульпарной камеры с ростом плотности энергии излучения, а также показано, что использование водяного орошения значительно снижает опасность термического повреждения пульгы зуба

г

сэ &

1_1 в В со

гоо

160-

120

80

40-

\

100 гоо 300 480 500 ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА, мкс

Рие.1. Зависимость эффективности удаления .вердых тканей зуба человека от длительности импульса излучения УАС:Ег лазера.

~4й0

О ДЕНТИН

ЭМАЛЬ

С 31

о"

= I

а 8

0 е

Г»

200

160-

120-

о ДЕНТИН

□ ЭМАЛЬ

О 4 В 12

ОБЪЕМНЫЙ РАСХОД ХЛАДАГЕНТА, мл / мин.

Рис.2. Зависимость эффективности удаления твердых тканей зуба человека излучением УАО:£г лазера от объемного расхода хгадагента.

________6 четвертой главе впервые описаны _ результаты- экспериментальных______________

исследований процесса уда сния твердых тканей зуба человека излучением Ул&:Ег лазера в контактном режиме (излучение на поверхность объекта доставлялось по волоконному наконечнику). Обнаружено, что при однократном лазерном воздействии эффективность удаления твердых тканей зуба человека в контактном режиме выше, чем в неконтактном при одинаковой плотности знегл ии и длительности импульса излучения (см. табл. 1).

Тип лазерной Эффективность удаления.

мм^ кДж

обработки Эмаль Дентин

твердых тканей зуоа контактный неконтактный контактный неконтактный

человека режим режим режим режим

без ирригации 250125 65±10 410+40 290130

при непрерывном

водяном орошении 300±30 80+10 315±30 215±20

Таблица 1. Эффективность удаления твердых тканей зуба человека при'

контактом и неконтактном режимах УАО:Ег лазерной обработки.

Установлен тчкже фэ<т уменьшения эффективности лазерного удаления как эмали, так и дентин? з контактном режиме при росте количестве импульсов излучения, который может быть связан, по-видимому.

- ао-перзых, со снижением пропускания волокна и увеличением расходимости излучения вследствие разрушения выходного торца;

- во-вторых, с накоплением в кратере продуктов лазерного разрушения;

- в-третьих, с уменьшением количества воды, поступающей в зону взаимодействия при увеличении глубины кратера.

6 целом, полученные результаты позволяют говорить о высокой практической ценности (с точки зрения производительности) контактного режима по сравнению с неконтактным.

8 чин-чюченчи изложены основные результаты и выпады диссертационной работы;

•- Предложена и обоснована четырехстадийная модель лазерного разрушения твердых тканей зуба человека субмиллисекундными импульсами. '¿АС: Ее лазера. Из оценок скорости разрушения твердых тканей зуба в приближении теплофизической модели квазинепрерывного разрушения, построенной на базе рассмотрения одномерной задачи Стефана, сделан вывод о практической применимости данного лазера в стоматологии.

- Найден оптимальный с точки зрения высокой эффективности удаления твердых зубных тканей диапазон плотностей энергии YAG:Er лазерного излучения, в котором одновременно реализуется ситуация с низким уровнем травматизма эмали и дентина, окружающих оперируемое место.

- Установлено существенное влияние длительности лазерного импульса на эффективность удаления эмали и дентина излучением YAG:Er лазера.

- Покачано, что применение водяного орошения облучаемой зоны приводит к повышению эффективности YAG:Er лазерной обработки твердых тканей зуба при одновременном снижении опасности термического повреждения пульпы.

- Обнаружено влияние на величину эффективности YAG: Er лазерной обработки эмали и дентина параметров системы водяного орошения.

- Установлено, что с ростом шютмсти энергии YAG:Er излучения перегрев пульпы уменьшается, а максимальное его значение наблюдается в допороговой области плотностей энергии.

- Определен инкремент уменьшения пульпарного перегрева при увеличении расстояния от зоны YAG:Er лазерной обработки до вершины пульпарной камеры.

- Проведено сравнение эффективности удаления эмали и дентина дм контактного и неконтактного методов YAG:Er лазерной обработки. Сделан вывод, что данная величина в контактном режиме при однократных импульсах выше, чем в неконтактном.

- Отмечено, что с ростом числа импульсов YAG:Er излучения г- оисходит снижение величины эффективности лазерного удаления зубной ткани.

1. Альтшулер Г.Б., Беликов A.B., Ерофеев A.B., Скрипник A.B. Взаимодействие излучения Ио-лазера с твердыми тканями зуба человека. - Тезисы докл. конф. "Оптика лазеров", СПб, 1993, т. 2, с. 644.

2. АльТшулер Г.Б., Беликов A.B., Ерофеев A.B., Крылов В.Г., Скрипник A.B. Взаимодействие излучения Ег-лазсра с твердыми тканями зуба человека. -Тезисы докл. конф. "Оптика лазеров", 1933, т. 2, с. 645.

и

— 3rAltshi;ler"G.5~Belashenkov "N.R~Karä5"äv~V.B:7'' Skli(Sñik_A.V."r Sbl0í¡ñiñ_ATAT" Application of ultrashort laser pulses in dentistry. - Prcc. uf SP;E, Danta! Applications of Lasers, 1993, V. 2080, pp. 77-81.

4. Aftshu'er G В., Be!ashenl<ov N R., Karate.'/ V.B., Skripnik AV., Soiounin A A. laser instruction of demineraiiitd dentin. - Proc. of SPiE, Advanced Laser Dentistry, 1S94,

V. 1984, pp. 31 37.

5. Беликов А.В , Самдуленко А В , Скрипим А.В . Гмчук A.M. tfceJitdcteHue авлмцчи твердых тканей зуба человека излучением YAG:Cr,Tm,Er лазерщ (.U2.69MIÍM). - Письма в ЖТФ, 1395. т. 21, du¡-¡. 2, с. 11-16.

6. Беликов A.B., Мороз Е.Т., Схрипних A.D. Исследование икти&косаш баъмер&щ в продуктах лазерного разрушения эмали и дентина зубя человекам Стоматология, 1995, т. 5, с. 15-17.

7. Беликов A.B., Ерофеев A.B., Скрипник A.B. Особенности теплового оыкмьхя пульпы при лазерной обработке эмали а дентина. - Письма в ЖТФ, 1995, т. 21, вып. 9. с. 32-36.

8. Егоров В.И., Куссуль А.Г., Семенова Т.Л., Скрипник A.B. Теплаяem моделирование лазерной деструкции твердых тхаией зуба человека. - Письма в

ЖТФ, 1995, т. 21, вып 16, с. 11-15.

(

. 0-'

у-

Подписано к печати 19.01.96 г.

14 Тираж 100 экз.

Объем 0,75 п.л. Бесплатно

Ротапринт. ИТД'Ю. 190000, Санкт-Петербург, иер. Григиоаа, 14