ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ТКАНИ И ЭЛЕМЕНТЫ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ
А.В. Беликов, А.В. Скрипник, Т.В. Струнина, К.В. Шатилова
8 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 [15]. 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 светополимеризующихся 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 +4ºС 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) составляла 1400 мкс, а энергия импульса достигала 50 мДж. На рис. 1
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
107
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ …
представлена осциллограмма импульса типичного для используемого в настоящем исследовании YLF: Er лазера. Относительная величина амплитуды A' рассчитывалась как отношение текущего i -го значения амплитуды к максимальному.
Рис. 1. Осциллограмма импульса излучения YLF: Er лазера ( ~1400 мкс)
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
( f ' =38 мм). Микрократеры в эмали или дентине зуба формировались в результате воздействия одиноч-
ного лазерного импульса (Np=1) на поверхность сформированной ранее плоской площадки. Энергия одиночного лазерного импульса Ер для YLF: Er ( =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 (Np =100), следующих друг за другом с частотой около 1 Гц. При этом энергия одиночного лазерного импульса Ер для YLF: Er ( =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 D0 и глубина h0 микрократеров и микроканалов измерялись по фотографиям их продольных сечений. Затем рассчитывался объем микрократера V0 и эффективность удаления биоткани . Эффективность удаления биоткани рассчитывалась как отношение объема микрократера V0 к энергии, затраченной на его формирование. Также рассчитывалось аспектное соотношение микроканалов A как отношение диаметра микроканала к его глубине.
Результаты и обсуждение
Поскольку в ходе воздействия излучения YLF: Er лазера с энергией 1 мДж разрушения эмали не были выявлены, то дальнейшие исследования проводились для излучения YLF: Er 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
Vпс
1 12
D03
,
где D0 – диаметр отверстия в твердой ткани зуба. Для микрократеров, имеющих форму усеченного кону-
са, объем вычислялся как
Vук
1 12
h0
D02 D0 D1 D12
,
где h0 глубина кратера; D0 больший диаметр отверстия в твердой ткани зуба; D1 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: Er лазера с диодной накачкой,
длиной волны 2,81 мкм и 1400 мкс. На рис. 3 представлены результаты расчета объема микрократе-
ров и эффективности удаления эмали и дентина одиночным импульсом YLF: Er лазера с диодной накач-
кой, длиной волны 2,81 мкм и 1400 мкс. Таким образом, при формировании микрократеров излуче-
нием YLF: Er лазера (=2,81 мкм, 1400 мкс, Ер 2 мДж) в эмали D0=1157 мкм, h0=324 мкм,
108
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
А.В. Беликов, А.В. Скрипник, Т.В. Струнина, К.В. Шатилова
V0=(166)×10–5 мм3, =8220 мм3/кДж; в дентине D0=1555 мкм, h0=262 мкм, V0=(194)×10–5 мм3, =10021 мм3/кДж.
Внешний вид 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 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 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.
аб
Рис. 2. Глубина h0 (а) и диаметр D0 (б) микрократеров, созданных в эмали и дентине излучением YLF: Er ( =2,81 мкм; E p ~2 мДж; ~1400 мкс) лазера
аб
Рис. 3. Объем микрократеров V0 (а) и эффективность удаления эмали и дентина Э (б)
излучением YLF: Er ( =2,81 мкм; E p ~2 мДж; ~1400 мкс) лазера
аб
Рис. 4. Внешний вид (а) и продольное сечение (б) микроканала, сформированного в дентине излучением
YLF: Er ( =2,81 мкм; ~1400 мкс; E p ~30 мДж; N p =100) лазера
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
109
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ …
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 1400 мкс, составила величину h0 =1170100 мкм. Максимальный диаметр микроканала достигал D0=26030 мкм. Максимальное значение аспектного соотношения, полученное в рамках настоящего эксперимента, составило величину A =4,50,5.
В работе [12] сообщается, что при формировании микрократеров излучением YAG: Er лазера (=2,94 мкм, 130 мкс, Ер 1 мДж) в эмали D0=993 мкм, h0=458 мкм, V0=(248)×10–5 мм3, =24080 мм3/кДж; в дентине D0=1011 мкм, h0=464 мкм, V0=(277)×10–5 мм3, =26661 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. В работе [10] сообщается, что для YAG: Er лазера (=2,94 мкм, =105 мкс по полувысоте, Ер =15 мДж) аспектное соотношение формируемых микроканалов достигает A =2,40,12. Таким образом, аспектное соотношение микроканалов, созданных в твердых тканях зуба человека излучением YLF: Er лазера (=2,81 мкм, 1400 мкс, Ер 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 ( = 2,81 мкм, 1400 мкс, Ер 2 мДж) в эмали D0=1157 мкм, h0 = 324 мкм, V0 =(166)×10–5мм3, =8220 мм3/кДж; в дентине D0=1555 мкм, h0 = 262 мкм, V0 = (194)×10–5 мм3, =10021 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 1400 мкс, составила h0 = 1170100 мкм, диаметр микроканала достигал D0 = 26030 мкм, аспектное соотношение A = 4,50,5.
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 μm 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 А.В., Скрипник А.В., Шатилова К.В. 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 А.В., Жолобова Е.П., Скрипник А.В., Струнина Т.В. Исследование эффективности разрушения эмали зуба человека одномодовым излучением YAG: Er лазера // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2009. № 2(60). С. 5158. 5. Беликов А.В., Храмов В.Ю. Перспективы развития инновационных направлений исследований в области лазерных систем и биомедицинских оптических технологий // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2010. № 5(69). C. 110113. 6. Coluzzi D.J., Convissar R.A. Atlas of laser applications in dentistry. – Quintessence Publishing, Inc, 2007.
220 p. 7. Беликов А.В., Пушкарева А.Е., Скрипник А.В., Струнина Т.В., Шатилова К.В. Лазерное текстуриро-
вание поверхностей материалов // Изв. вузов. Приборостроение. – 2010. – Т. 53. – № 4. – C. 52–56. 8. Альтшулер Г.Б., Беликов А.В., Скрипник А.В., Бобров А.П., Ткаченко Т.Б., Маслов В.В., 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. 4454. 9. Гринволл Л. Методики отбеливания в реставрационной стоматологии. Иллюстрированное руководство. Пер. с англ. М.: Издательский дом «Высшее образование и наука», 2003. 304 с. 10. Альтшулер Г.Б., Беликов А.В., Скрипник А.В., Шатилова К.В., Фельдштейн Ф.И. «М2 лазерная технология» и ее применение для создания микроканалов в зубе // Инновационная стоматология. – 2010. – № 1. – C. 20–23.
110
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
А.В. Беликов, А.В. Скрипник, Т.В. Струнина, К.В. Шатилова
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. 2026.
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. Biomed. 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. 184195.
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,
meddv@grv.ifmo.ru – Санкт-Петербургский государственный университет информационных
технологий, механики и оптики, кандидат физ.-мат. наук, доцент,
alesch_skrypnik@mail.ru – Санкт-Петербургский государственный университет информационных
технологий, механики и оптики, инженер, struninatatiana@mail.ru – Санкт-Петербургский государственный университет информационных
технологий, механики и оптики, аспирант, kshatilova@mail.ru
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
111
8 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 [15]. 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 светополимеризующихся 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 +4ºС 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) составляла 1400 мкс, а энергия импульса достигала 50 мДж. На рис. 1
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
107
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ …
представлена осциллограмма импульса типичного для используемого в настоящем исследовании YLF: Er лазера. Относительная величина амплитуды A' рассчитывалась как отношение текущего i -го значения амплитуды к максимальному.
Рис. 1. Осциллограмма импульса излучения YLF: Er лазера ( ~1400 мкс)
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
( f ' =38 мм). Микрократеры в эмали или дентине зуба формировались в результате воздействия одиноч-
ного лазерного импульса (Np=1) на поверхность сформированной ранее плоской площадки. Энергия одиночного лазерного импульса Ер для YLF: Er ( =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 (Np =100), следующих друг за другом с частотой около 1 Гц. При этом энергия одиночного лазерного импульса Ер для YLF: Er ( =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 D0 и глубина h0 микрократеров и микроканалов измерялись по фотографиям их продольных сечений. Затем рассчитывался объем микрократера V0 и эффективность удаления биоткани . Эффективность удаления биоткани рассчитывалась как отношение объема микрократера V0 к энергии, затраченной на его формирование. Также рассчитывалось аспектное соотношение микроканалов A как отношение диаметра микроканала к его глубине.
Результаты и обсуждение
Поскольку в ходе воздействия излучения YLF: Er лазера с энергией 1 мДж разрушения эмали не были выявлены, то дальнейшие исследования проводились для излучения YLF: Er 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
Vпс
1 12
D03
,
где D0 – диаметр отверстия в твердой ткани зуба. Для микрократеров, имеющих форму усеченного кону-
са, объем вычислялся как
Vук
1 12
h0
D02 D0 D1 D12
,
где h0 глубина кратера; D0 больший диаметр отверстия в твердой ткани зуба; D1 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: Er лазера с диодной накачкой,
длиной волны 2,81 мкм и 1400 мкс. На рис. 3 представлены результаты расчета объема микрократе-
ров и эффективности удаления эмали и дентина одиночным импульсом YLF: Er лазера с диодной накач-
кой, длиной волны 2,81 мкм и 1400 мкс. Таким образом, при формировании микрократеров излуче-
нием YLF: Er лазера (=2,81 мкм, 1400 мкс, Ер 2 мДж) в эмали D0=1157 мкм, h0=324 мкм,
108
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
А.В. Беликов, А.В. Скрипник, Т.В. Струнина, К.В. Шатилова
V0=(166)×10–5 мм3, =8220 мм3/кДж; в дентине D0=1555 мкм, h0=262 мкм, V0=(194)×10–5 мм3, =10021 мм3/кДж.
Внешний вид 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 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 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.
аб
Рис. 2. Глубина h0 (а) и диаметр D0 (б) микрократеров, созданных в эмали и дентине излучением YLF: Er ( =2,81 мкм; E p ~2 мДж; ~1400 мкс) лазера
аб
Рис. 3. Объем микрократеров V0 (а) и эффективность удаления эмали и дентина Э (б)
излучением YLF: Er ( =2,81 мкм; E p ~2 мДж; ~1400 мкс) лазера
аб
Рис. 4. Внешний вид (а) и продольное сечение (б) микроканала, сформированного в дентине излучением
YLF: Er ( =2,81 мкм; ~1400 мкс; E p ~30 мДж; N p =100) лазера
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
109
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ …
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 1400 мкс, составила величину h0 =1170100 мкм. Максимальный диаметр микроканала достигал D0=26030 мкм. Максимальное значение аспектного соотношения, полученное в рамках настоящего эксперимента, составило величину A =4,50,5.
В работе [12] сообщается, что при формировании микрократеров излучением YAG: Er лазера (=2,94 мкм, 130 мкс, Ер 1 мДж) в эмали D0=993 мкм, h0=458 мкм, V0=(248)×10–5 мм3, =24080 мм3/кДж; в дентине D0=1011 мкм, h0=464 мкм, V0=(277)×10–5 мм3, =26661 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. В работе [10] сообщается, что для YAG: Er лазера (=2,94 мкм, =105 мкс по полувысоте, Ер =15 мДж) аспектное соотношение формируемых микроканалов достигает A =2,40,12. Таким образом, аспектное соотношение микроканалов, созданных в твердых тканях зуба человека излучением YLF: Er лазера (=2,81 мкм, 1400 мкс, Ер 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 ( = 2,81 мкм, 1400 мкс, Ер 2 мДж) в эмали D0=1157 мкм, h0 = 324 мкм, V0 =(166)×10–5мм3, =8220 мм3/кДж; в дентине D0=1555 мкм, h0 = 262 мкм, V0 = (194)×10–5 мм3, =10021 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 1400 мкс, составила h0 = 1170100 мкм, диаметр микроканала достигал D0 = 26030 мкм, аспектное соотношение A = 4,50,5.
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 μm 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 А.В., Скрипник А.В., Шатилова К.В. 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 А.В., Жолобова Е.П., Скрипник А.В., Струнина Т.В. Исследование эффективности разрушения эмали зуба человека одномодовым излучением YAG: Er лазера // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2009. № 2(60). С. 5158. 5. Беликов А.В., Храмов В.Ю. Перспективы развития инновационных направлений исследований в области лазерных систем и биомедицинских оптических технологий // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2010. № 5(69). C. 110113. 6. Coluzzi D.J., Convissar R.A. Atlas of laser applications in dentistry. – Quintessence Publishing, Inc, 2007.
220 p. 7. Беликов А.В., Пушкарева А.Е., Скрипник А.В., Струнина Т.В., Шатилова К.В. Лазерное текстуриро-
вание поверхностей материалов // Изв. вузов. Приборостроение. – 2010. – Т. 53. – № 4. – C. 52–56. 8. Альтшулер Г.Б., Беликов А.В., Скрипник А.В., Бобров А.П., Ткаченко Т.Б., Маслов В.В., 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. 4454. 9. Гринволл Л. Методики отбеливания в реставрационной стоматологии. Иллюстрированное руководство. Пер. с англ. М.: Издательский дом «Высшее образование и наука», 2003. 304 с. 10. Альтшулер Г.Б., Беликов А.В., Скрипник А.В., Шатилова К.В., Фельдштейн Ф.И. «М2 лазерная технология» и ее применение для создания микроканалов в зубе // Инновационная стоматология. – 2010. – № 1. – C. 20–23.
110
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
А.В. Беликов, А.В. Скрипник, Т.В. Струнина, К.В. Шатилова
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. 2026.
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. Biomed. 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. 184195.
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,
meddv@grv.ifmo.ru – Санкт-Петербургский государственный университет информационных
технологий, механики и оптики, кандидат физ.-мат. наук, доцент,
alesch_skrypnik@mail.ru – Санкт-Петербургский государственный университет информационных
технологий, механики и оптики, инженер, struninatatiana@mail.ru – Санкт-Петербургский государственный университет информационных
технологий, механики и оптики, аспирант, kshatilova@mail.ru
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
111