Er：YAG激光脈寬對(duì)牙硬組織消融特性影響的研究*

崔慶哲，楊經(jīng)緯，凌　琳，程庭清，吳先友，江海河，3*

（1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院醫(yī)學(xué)物理與技術(shù)中心，安徽合肥230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽合肥230031；3.中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽合肥230031；4.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院腫瘤醫(yī)院，安徽合肥230031）

Er：YAG激光脈寬對(duì)牙硬組織消融特性影響的研究*

崔慶哲1，2，楊經(jīng)緯1，凌琳4，程庭清1，吳先友1，江海河1，3*

（1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院醫(yī)學(xué)物理與技術(shù)中心，安徽合肥230031；
2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽合肥230031；3.中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽合肥230031；4.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院腫瘤醫(yī)院，安徽合肥230031）

研究了Er:YAG激光消融離體牙本質(zhì)過程中激光脈寬對(duì)消融閾值、消融深度以及消融后牙硬組織微結(jié)構(gòu)的影響。使用50 μs到1 ms脈寬的Er:YAG激光對(duì)人牙本質(zhì)在無噴水冷卻下消融實(shí)驗(yàn)，通過體式光學(xué)顯微鏡觀察樣品消融切口進(jìn)而測量消融坑洞深度，利用掃描電鏡（SEM）觀察消融后牙本質(zhì)的形態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著激光脈寬的增加，Er:YAG激光對(duì)人牙本質(zhì)的消融閾值、消融深度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，同時(shí)還觀察到高能量密度消融實(shí)驗(yàn)中牙小管封閉以及牙本質(zhì)熔融現(xiàn)象。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)了解Er:YAG激光消融牙硬組織的微觀過程及牙科治療應(yīng)用具有參考價(jià)值。

Er:YAG激光；脈寬；牙本質(zhì)；消融閾值

doi:10.3969/j.issn.1007-7146.2015.04.007

0　引言

2.94μm的Er:YAG激光在消融牙本質(zhì)的過程中，能夠被牙硬組織中的水和羥基磷灰石強(qiáng)吸收［1-5］。與1.064 μm的Nd:YAG激光和10.6 μm的CO2激光相比，Er:YAG激光消融牙硬組織所產(chǎn)生的熱副效應(yīng)小，可以有效避免牙髓的不可逆損傷，是新一代的現(xiàn)代牙科醫(yī)療手段［6-8］。在Er:YAG激光消融牙本質(zhì)的過程中，激光的脈沖能量、脈沖寬度、重復(fù)頻率、照射距離等眾多激光參數(shù)都影響著消融效果［9-11］，其中脈寬是決定激光與物質(zhì)相互作用結(jié)果的主要因素之一［12］，尤其會(huì)對(duì)消融過程中熱擴(kuò)散的效果產(chǎn)生影響［13，14］。

激光消融是激光與生物組織相互作用的過程，不僅與激光參數(shù)有關(guān)，而且還與消融組織有關(guān)。不同生物組織在激光消融過程中具有一定的差異性，會(huì)影響激光消融效果。國外已有文獻(xiàn)對(duì)不同脈寬下Er:YAG激光的牙本質(zhì)消融效果進(jìn)行了報(bào)道，而國內(nèi)相關(guān)研究報(bào)道較少，對(duì)中國人牙齒消融這一問題的既有研究有待進(jìn)一步的深化。Nishimoto等人［15］研究了噴水冷卻下40 J/cm2的Er:YAG激光消融牙本質(zhì)，指出消融坑洞的深度隨著脈寬的增加而增大，被消融牙本質(zhì)的表面形貌并不隨脈寬的增加而改變。Camerlingo等人［16］研究了噴水冷卻下不同脈寬的Er:YAG激光消融牙本質(zhì)，指出脈寬會(huì)影響消融坑洞的微結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成。在實(shí)際應(yīng)用Er:YAG激光消融牙本質(zhì)時(shí)，能量密度大于40 J/cm2，針對(duì)這種情形下，研究無噴水冷卻下Er:YAG激光脈寬對(duì)牙本質(zhì)消融效果的影響。

以人離體牙齒為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用50 μs、100 μs、250 μs、500 μs、1 ms五種脈寬的Er:YAG激光輻照牙本質(zhì)樣品，在輻照過程中逐漸增大能量密度，測量不同脈寬下的消融閾值，并且獲得消融坑洞的消融深度隨能量密度的變化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)過程中沒有使用噴水冷卻。使用不同脈寬的Er:YAG激光在相同能量密度下消融組織樣品，通過掃描電鏡（SEM）觀察了脈寬對(duì)于消融后坑洞微結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:Er:YAG激光消融牙本質(zhì)的消融閾值、消融深度都會(huì)隨著脈寬的增加而增加。

1　材料與方法

本實(shí)驗(yàn)選用離體的人恒磨牙作為實(shí)驗(yàn)材料。去除軟組織后，從牙頸部斷開，棄去牙根，用慢速金剛鋸沿牙體長軸將牙切成兩個(gè)部分，切割過程中噴水冷卻。牙本質(zhì)暴露后，利用180目砂紙刮擦牙本質(zhì)表面，使其表面平滑，制成牙本質(zhì)牙塊，保存樣品于生理鹽水（濃度為0.9%的NaCl溶液）中，并在一個(gè)月之內(nèi)使用。激光消融實(shí)驗(yàn)前，將牙本質(zhì)牙塊洗凈并放置在空氣中干燥10到20 min。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，從激光器中輸出的激光束經(jīng)過45°全反射，再經(jīng)過聚焦鏡（f=50 mm）聚焦，垂直入射到樣品表面，在測量閾值時(shí)形成直徑為290.7 μm的光斑，測量消融坑洞深度與觀察消融坑狀微結(jié)構(gòu)時(shí)形成直徑為727.3 μm的光斑。樣品置于二維移動(dòng)平臺(tái)上，樣品表面在聚焦鏡焦點(diǎn)附近。實(shí)驗(yàn)光源為脈沖Er:YAG激光，波長為2.94 μm，脈寬可調(diào)為50 μs、100 μs、250 μs、500 μs、1 ms。本實(shí)驗(yàn)中脈沖頻率為2 Hz，輻照位點(diǎn)的脈沖數(shù)為10次，實(shí)驗(yàn)在脈沖能量和重復(fù)頻率一定的情況下，改變脈寬進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中不使用噴水冷卻。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1　Schematics of the experiment setup

2　結(jié)果

2.1消融閾值測量

本文就不同脈寬的Er:YAG激光消融牙本質(zhì)的消融閾值進(jìn)行了初步探討。由于牙齒的生物組織存在一定的差異，很難將組織的消融發(fā)生率控制到百分之百，因此本文采用80%消融發(fā)生率定義為激光消融閾值，較符合實(shí)際情況［17］。

圖2　Er：YAG激光消融牙本質(zhì)的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2　SEM images for the Er：YAG laser of the ablation of dentin

在50 μs激光脈寬的情況下，使用不同能量密度Er:YAG激光輻照組織樣品，通過掃描電鏡（SEM）觀察不同能量密度下激光消融樣品組織產(chǎn)生的形態(tài)變化。當(dāng)能量密度為2.80 J/cm2時(shí)，有消融痕跡產(chǎn)生，如圖2（a）所示。當(dāng)能量密度為3.92 J/cm2時(shí)，出現(xiàn)清晰的消融痕跡，產(chǎn)生小的局部消融，如圖2（b）所示。當(dāng)能量密度為4.6 J/cm2時(shí)，出現(xiàn)顯著的消融痕跡，如圖2（c）所示，且樣品組織表面消融的概率超過80%。因此，定義50 μs脈寬的Er:YAG激光對(duì)牙本質(zhì)的消融閾值范圍為3.92 J/cm2～4.60 J/cm2。實(shí)驗(yàn)獲得了50 μs、100 μs、250 μs、500 μs、1 ms脈寬的Er:YAG激光對(duì)牙本質(zhì)的消融閾值范圍，各脈寬的消融閾值范圍如表1所示。其中，250 μs脈寬的Er: YAG激光對(duì)牙本質(zhì)的消融閾值范圍4.53 J/cm2～5.12 J/cm2；1 ms脈寬的Er:YAG激光對(duì)牙本質(zhì)的消融閾值范圍為5.95 J/cm2～6.37 J/cm2。

表1　Er：YAG激光消融牙本質(zhì)的消融閾值范圍Tab.1　The range of ablation threshold for the Er：YAG laser of the ablation of dentin

由上述結(jié)果可知，隨著脈寬的增加，Er:YAG激光消融牙本質(zhì)的消融閾值在逐漸增加，但增加較為緩慢，大約在4 J/cm2附近變化。

2.2消融深度測量

在能量密度超過消融閾值時(shí)，Er:YAG激光脈沖寬度對(duì)消融牙本質(zhì)的坑洞深度、表面形態(tài)、坑洞微結(jié)構(gòu)都有影響。實(shí)驗(yàn)中Er:YAG激光消融牙本質(zhì)的能量密度控制在臨床治療范圍之內(nèi)，五種脈寬的Er: YAG激光能量密度從74.85 J/cm2到898.19 J/cm2，激光頻率為2 Hz，作用脈沖總數(shù)為10次。實(shí)驗(yàn)得到的不同脈寬下消融坑洞的消融深度隨能量密度的變化曲線如圖3所示。

圖3　不同脈寬Er：YAG激光消融牙本質(zhì)的坑洞深度與能量密度的關(guān)系曲線Fig.3　The curve of the relationship between the ablation depths and energy densities under different pulse widths of Er：YAG laser

圖4　五種不同脈寬Er：YAG激光消融牙本質(zhì)的坑洞深度與能量密度的理論曲線Fig.4　The curve of the relationship between the ablation depths and energy densities for Er：YAG laser with five different pulse widths

從圖3中可以看出，在相同脈寬條件下，消融坑洞深度隨著Er:YAG激光能量密度增加而增大。在相同能量密度條件下，消融坑洞深度隨Er:YAG激光脈寬增加而增大。已有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道了Er:YAG激光消融牙本質(zhì)時(shí)消融深度隨能量密度的變化關(guān)系。Majaron［13］等指出如果激光消融深度與熱擴(kuò)散半徑遠(yuǎn)小于激光光束半徑時(shí)，消融過程可以被視為一個(gè)一維的過程。并且獲得了相關(guān)消融模型:

h（F）為不同能量密度下的消融深度，μ′為消融坑洞中的激光消光系數(shù)，ha為牙本質(zhì)的比熱，Sp為光束橫截面積，S（F）是彈坑橫截面積，F(xiàn)1為消融閾值。

圖5　不同脈寬Er：YAG激光消融牙本質(zhì)的電鏡照片F(xiàn)ig.5　SEM images for different pulse durations of Er：YAG laser of dentin

根據(jù)上述公式得到五種不同脈寬的Er:YAG激光消融牙本質(zhì)的坑洞深度隨能量密度變化關(guān)系的理論曲線，如圖4所示。由圖3與圖4比較可知，本文消融深度隨能量密度變化關(guān)系的趨勢與文獻(xiàn)［13］中給出的相關(guān)模型基本一致。當(dāng)能量密度在100 J/cm2到600 J/cm2范圍內(nèi)時(shí)，消融深度與能量密度基本呈線性關(guān)系。

Er:YAG激光消融牙本質(zhì)過程中，可以通過在同一能量密度下增加脈寬來提高消融深度，激光脈寬的增大會(huì)影響牙本質(zhì)消融坑洞的微結(jié)構(gòu)。

2.3消融坑狀微結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)研究了不同激光脈寬對(duì)牙本質(zhì)消融坑洞微結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)能量密度為74.85 J/cm2，用脈寬為50 μs、100 μs、250 μs的Er:YAG激光消融牙本質(zhì)時(shí)，消融坑洞產(chǎn)生魚鱗狀的粗糙側(cè)面，未見表面碳化、熔融以及碎屑的產(chǎn)生，底部牙小管完全開放，如圖4（a）～（c）所示。當(dāng)脈寬為500 μs時(shí)，消融坑洞同樣產(chǎn)生魚鱗狀的粗糙側(cè)面，未見表面碳化、熔融以及碎屑的產(chǎn)生，底部牙小管部分開放，如圖4（j）～（l）所示。當(dāng)脈寬為1 ms時(shí)，消融坑洞同樣產(chǎn)生魚鱗狀的粗糙側(cè)面，坑洞邊緣出現(xiàn)輕微碳化，底部牙小管完全封閉，如圖5（m）～（o）所示。

圖6　不同能量密度Er：YAG激光消融牙本質(zhì)的電鏡照片F(xiàn)ig.6　SEM images for different energy densities of Er：YAG laser of dentin

使用脈寬為1 ms的Er:YAG激光對(duì)牙本質(zhì)牙塊進(jìn)行消融。當(dāng)能量密度為74.85 J/cm2，消融坑洞的側(cè)壁以及底部未見有熔融現(xiàn)象，如圖5（a）～（c）所示。當(dāng)能量密度增加至149.70 J/cm2，消坑洞的側(cè)壁出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，底部未見熔融現(xiàn)象，如圖6（d）～（f）所示。當(dāng)能量密度增加至449.10 J/cm2，消融坑洞的側(cè)壁以及底部同時(shí)出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，如圖6（g）～（i）所示。因此在激光消融對(duì)損傷程度不同的患牙應(yīng)該選擇不同脈寬和不同能量密度的激光，對(duì)損傷比較嚴(yán)重，牙髓表面牙本質(zhì)較薄的患牙，應(yīng)以較窄脈寬與較低能量密度激光治療。

3　結(jié)論

我們采用50 μs、100 μs、250 μs、500 μs、1 ms五種脈寬的Er:YAG激光分別對(duì)人體牙本質(zhì)進(jìn)行了消融實(shí)驗(yàn)，獲得了人體牙本質(zhì)在五種脈寬情況下Er: YAG激光的消融閾值范圍，分別為3.92 J/cm2～4.60 J/cm2、4.46 J/cm2～5.04 J/cm2、4.53 J/cm2～5.12 J/cm2、5.42 J/cm2～5.81 J/cm2和5.95 J/cm2～6.37 J/cm2，Er:YAG激光對(duì)樣品組織消融閾值隨著脈寬增大而增加。使用能量密度74.85 J/cm2到898.19 J/cm2的五種脈寬的Er:YAG激光分別對(duì)牙本質(zhì)進(jìn)行了消融實(shí)驗(yàn)，得到了不同脈寬下消融坑洞的消融深度隨能量密度的增長趨勢。實(shí)驗(yàn)研究了不同激光脈寬對(duì)牙本質(zhì)消融坑洞微結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)了高能量密度消融時(shí)牙小管封閉以及牙本質(zhì)熔融現(xiàn)象。在實(shí)際醫(yī)療應(yīng)用中，針對(duì)患牙損傷程度應(yīng)選取不同脈寬與能量密度的Er:YAG激光，以便在提高消融深度的同時(shí)有效避免損傷的發(fā)生。但如何針對(duì)不同種類患牙如何進(jìn)行定量的脈寬與能量密度的選擇，需要進(jìn)一步開展實(shí)驗(yàn)研究。

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A Study on the Effect of Pulse Duration of Er:YAG Laser on Dentin Ablation

CUI Qingzhe1，2，YANG Jingwei1，LIN Ling4，CHENG Tingqing1，WU Xianyou1，JIANG Haihe1，3*
（1.Center of Medical Physics and Technology，Hefei Institutes of Physical Science，China Academy of Science，Hefei 230031，Anhui，China；2.University of Science and Technology of China，Hefei 230031，Anhui，China；3.Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，Anhui，China；4.Cancer Hospital，Hefei Institutes of Physicals Science，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230026，Anhui，China）

The influence of pulse length on Er:YAG laser ablation of hard dental tissue during ablation，especially in the aspect of the ablation threshold and ablation rate and the microstructure were studied.Er:YAG laser were used with pulse lengths from 50 μs to 1 ms and different energies to ablate dentine samples with no spray cooling.Ablation depth of the hole were measured by observing the ablation incision under optical microscope and apply scanning electron microscope to observe morphology changes of dentin after irradiation.Results show that with the increase of pulse length，Er: YAG laser ablation threshold of dentin and the ablation depth of the hole showed a trend of increasing gradually.The re-sults of the experiment show that the increase of pulselength and energy density can make the occlusion of tooth tubular and melt dentine gradually.People should choose appropriate pulselength and energy density of Er:YAG laser in practical treatment，which can reduce the damage.

Er:YAG laser；pulse width；dentin；ablation threshold

R318.51

A

1007-7146（2015）04-0341-07

2014-10-19；

2015-05-20

國家自然科學(xué)基金（61275118）；國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國工程物理研究院聯(lián)合基金（U1230131）；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA0804010902）

崔慶哲（1992-），男，山東聊城人，碩士研究生，主要從事激光技術(shù)方面的研究。（電子郵箱）cuiqingzhe@ 126.com

江海河（1961-），男，博士生導(dǎo)師，研究員，碩士，主要從事激光醫(yī)療、半導(dǎo)體激光技術(shù)及應(yīng)用等方面的研究。（電子郵箱）hjiang@aiofm.ac.cn