Воздействие импульсов неодимового лазера различной длительности на твердые ткани зуба тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

№

Демьянова Татьяна Сергеевна

ВОЗДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСОВ НЕОДИМОВОГО ЛАЗЕРА РАЗЛИЧНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ НА ТВЕРДЫЕ ТКАНИ ЗУБА

Специальность: 01.04.21 - Лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

005049719 1 4 ФЕБ 2013

Саратов-2013

005049719

Работа выполнена на кафедре лазерной физики Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный университет»

Научный руководитель:

Храмов Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

Мельников Леонид Аркадьевич

Хайдуков Евгений Валерьевич

кандидат физико-математических наук, доцент

доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», заведующий кафедрой приборостроения

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ИПЛИТ РАН

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург.

Защита состоится «5» марта 2013 г. в'' часов на заседании диссертационного совета Д 212.243.05 по специальности 01.04.21 - Лазерная физика при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, д.83, корп.З, ауд.34.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Саратовского государственного университета им. В.А. Артисевич (Саратов, ул. Университетская, 42)

Автореферат разослан

«в7» января 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф. - м.н, профессор

В.Л. Дербов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена изучению закономерностей взаимодействия мощного лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона при длительности импульса от 1 мкс до -1 не с твердыми биологическими тканями, а также разработке устройств и методик для лазерной хирургии твердых биологических тканей перспективных для улучшения характеристик приборно-элементной базы лазерной медицины.

Актуальность работы. Хирургия твердых тканей зуба при помощи лазерного излучения - одна из проблем, интересующая многих ученых, как физиков, так и медиков с момента изобретения первого лазера. В этом направлении было выполнено большое количество работ. В большинстве своем, исследования и разработки в области лазерной хирургической стоматологии сводятся к подбору оптимальной интенсивности лазерного излучения, длительности импульсов лазеров, а также изучению возможности применения дополнительных инструментов для увеличения скорости удаления тканей и минимизации возможных термических эффектов. Высокая вероятность перегрева пульпы в процессе препарирования ткани зуба лазерным излучением является одной из главных проблем, которую необходимо решить при использовании подобных источников. Существующие современные лазерные методы для деструкции эмали и дентина зуба основаны именно на поглощении тканями достаточно длинных импульсов (с длительностью от единиц до сотен микросекунд) эрбиевых лазеров [1]. К существенным недостаткам таких лазеров следует отнести высокую стоимость активных элементов, трудность контроля излучения и отсутствие подходящих световодов с малыми потерями для транспортировки излучения к месту операции (используемые на данный момент волокна, из-за большого поглощения в них, нуждаются в принудительном охлаждении).

Неодимовые лазеры могут стать альтернативой, их основными преимуществами являются: возможность селективного удаления кариозной ткани, которая поглощает излучение на 1,06 мкм лучше, чем интактная эмаль, а также возможность доставки излучения по оптоволоконных кабелям. Анализ состояния дел в данной области показывает, что за рубежом проблемой взаимодействия импульсного излучения именно неодимовых лазеров с биологическими материалами, в частности с тканями зуба, занимаются гораздо активнее, чем в России [2-4]. Однако результаты первых экспериментов показали, что при использовании излучения неодимового лазера микросекундной длительности существуют трудности - оно слабо поглощается твердыми зубными тканями, вследствие чего происходит повреждение пульпы [5]. Решение этой проблемы возможно, если использовать высокоэнергетические отдельные короткие (наносекундные) импульсы или цуг ультракоротких импульсов в режиме кратковременной резонансной модуляции потерь [6-7]. Суть метода кратковременной резонансной модуляции потерь состоит в особенности управления добротностью резонатора. После быстрого включения

добротности производится глубокая, практически 100%-ная резонансная (синхронно с аксиальным периодом резонатора) электрооптическая модуляция потерь в течение нескольких десятков периодов обхода волной резонатора. После отключения модуляции потерь устанавливается максимальная для данного лазера добротность и происходит свободное развитие ультракороткого импульса, который полностью снимает инверсию.

Первые работы по исследованию результатов воздействия однократных импульсов лазера с кратковременной резонансной модуляцией на твердые биоткани были выполнены В.Н. Храмовым, Б.В. Аникеевым и В.Л. Подольским [8-9]. При воздействии ультракороткого импульса сокращается время взаимодействия между лучом лазера и тканью и ограничивается распространение тепла внутрь тела зуба, и уменьшается вероятность повреждения окружающих тканей. Возникающий при таком воздействии на поверхности материала лазерный абляционный факел, состоящий из микрочастиц материала ткани-мишени, приводит к удалению материала с поверхности мишени и образованию отверстий. Кроме того, вследствие процесса обратного тормозного поглощения, возникшая плазма экранирует лазерное излучение и препятствует прохождению последующей части импульса излучения вглубь ткани, предотвращая передачу тепла в пульпу.

К моменту начала настоящей работы (2009 г.) в литературе отсутствовали данные об использовании эквидистантной последовательности ультракоротких импульсов неодимовых лазеров в импульсно-периодическом режиме для удаления эмали и дентина зуба, а данные об использовании импульсов в режиме модуляции добротности были достаточно противоречивы.

Стоит отметить, что применение лазерного излучения ультракороткой длительности актуально не только в узкой области хирургической стоматологии, но и в других областях медицины, микроэлектроники, нанотехнологий, машиностроении в тех случаях, когда требуется поверхностное воздействие, модификация и обработка как поглощающих, так и иепоглощающих материалов без проникновения излучения вглубь материалов. Выполнение научно-исследовательских работ в данном направлении позволит расширить сферу и возможности современных инновационных лазерных и лазерно-плазменных технологий.

Цель настоящей работы: экспериментальное исследование характера повреждений поверхности эмали и дентина при воздействии излучения неодимового лазера в широком диапазоне длительностей (от микросекундного до субнаносекундного диапазона) в одном энергетическом диапазоне десятых долей джоуля.

Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи: 1. Разработка и реализация импульсно-периодического неодимового лазера, работающего в трех режимах: свободной генерации, модуляции добротности (режим гигантского импульса), кратковременной резонансной модуляции потерь (режим ультракоротких импульсов).

2. Создание экспериментальной установки для оценки изменения температуры твердых тканей зуба в процессе воздействия импульсного лазерного излучения.

3. Численная и экспериментальная оценка изменения температуры твердых тканей зуба при воздействии лазерных импульсов различной длительности;

4. Экспериментальное исследование результатов абляции твердых тканей зуба при воздействии лазерных импульсов различной длительности;

5. Исследование характера повреждений и качества обработки поверхности эмали и дентина, а также ее производительности при воздействии импульсно-периодического излучения неодимового лазера.

Научная новизна:

1. Впервые предложен метод нетепловой импульсной лазерной абляции слабо поглощающих твердых тканей зуба цугом высокоинтенсивных ультракоротких импульсов неодимового лазера. Разработана и реализована универсальная лазерно-плазменная установка для нетепловой хирургии твердых биологических тканей, способная генерировать импульсы длительностью от 1 не до 1 мке с частотой 1-10 Гц и энергией до 0,5 Дж.

2. Экспериментально установлено, что при переходе от микросекундных к наносекундным длительностям импульсов неодимового лазера не происходит оплавления, карбонизации твердых тканей зуба человека, а также механического повреждения и нагрева близлежащих тканей эмали и дентина.

3. Эксперимент и численная оценка показали, что при воздействии импульсов ианосекундной длительности не происходит существенного изменения температуры окружающих тканей зуба.

4. Впервые продемонстрировано, что при интенсивности излучения импульсного неодимового лазера в диапазоне 0,5-0,8 ГВт/см2 глубина абляции эмали сравнима с глубиной абляции дентина и не зависит от плотности мощности излучения.

Практическая значимость:

1. Экспериментально доказана принципиальная возможность применения лазерно-плазменной технологии для стоматологических операций на твердых тканях зуба.

2. Создана в макетном виде экспериментальная установка для импульсной лазерно-плазменной абляции твердых тканей зуба, а также других поверхностей в трех различных режимах генерации. Ее отличием от уже существующих установок является простота конструкции и универсальность при генерации излучения с не уступающими характеристиками. Соотношение энергетических и временных характеристик генерируемого излучения позволяет достигать порога плазмообразования на мишени при фокусировке. Полученные результаты могут быть использованы при создании универсальных лазерных устройств, которые обладают возможностью решения широкого спектра задач прецизионной обработки поверхности.

3. Проведено сравнение эффективности удаления твердых тканей зуба лазерно-плазменным методом с эффективностью удаления при помощи эрбиевого лазера, обычного и высокооборотистого стоматологического бора. Как показали эксперименты, подобная технология не уступает по производительности не только обычной механической обработке зуба, но и современной лазерной обработке эрбиевыми лазерами.

4. Большое практическое применение имеют оценки нагрева твердых биологических тканей при лазерном облучении, которые могут быть использованы для определения оптимальных параметров излучения в лазерной хирургии и стоматологии.

5. Полученные в диссертационной работе результаты могут также применяться и в учебном процессе - при подготовке студентов, аспирантов, в курсах лекций по лазерным, оптическим и медико-биологическим направлениям.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Предложенный метод лазерно-плазменной абляции позволяет использовать высокоинтенсивное импульсное лазерное излучение неодимового лазера для препарирования слабопоглощающих твердых тканей зуба.

2. При переходе от микросекундных к наносекундным длительностям импульсов неодимового лазера не происходит оплавления, карбонизации твердых тканей зуба человека, а также механического повреждения и нагрева близлежащих тканей эмали и дентина.

3. Для обработки дентина более подходящим по производительности является режим гигантского импульса (10 - 100 не), а для обработки эмали - режим ультракоротких импульсов (от 1 не и короче).

4. При интенсивности излучения импульсного неодимового лазера 0,5-0,8 ГВт/см2 глубина абляции эмали сравнима с глубиной абляции дентина и не зависит от плотности мощности излучения.

Апробация работы:

Результаты, приведенные в диссертации докладывались на международных, всероссийских и региональных научных конференций, таких как:

XVI, XVII, XIX Международная конференция "Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии", Новороссийск, 2008, 2009, 2011;

XVI Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, Волгоград, 2010;

III Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии "Медицинская физика - 2010", Москва, 2010;

International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO/LAT), Казань, 2010;

VIII Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике, Самара, 2010;

XIV - XVIII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, (2009-2012);

Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2012», Москва, 2012.

Материалы, вошедшие в работу, докладывались на научных семинарах кафедры лазерной физики ВолГУ. Работа была представлена на научных семинарах кафедры лазерной техники и биомедицинской оптики НИУ ИТМО и кафедры оптики и биофотоники СГУ им. Н.Г. Чернышевского.

Работа выполнена при поддержке грантов ВолГУ: № 40-2008-а Грант ВолГУ «Исследование параметров лазерно-плазменного воздействия на твердые ткани зубов для целей стоматологии» (2008 г.) и № 5-2011-МУ/ВолГУ «Исследование динамики и механизмов импульсной лазерной абляции твердых биологических тканей излучением неодимового лазера в режимах коротких импульсов» (2011 г.).

Достоверность полученных и представленных в диссертации результатов подтверждается строгостью используемых математических моделей, соответствием результатов численных оценок и экспериментальных исследований, использованием апробированных и обоснованных физических методов, работоспособностью созданных установок, а также общим согласованием с результатами других исследователей. Анализ экспериментальных данных проведен с соблюдением критериев достоверности физических измерений с учетом статистической обработки результатов.

Личный вклад автора. В работе изложены результаты исследований, выполненные автором лично. Лазерная экспериментальная установка создана совместно с соавторами опубликованных работ. Исследования параметров отверстий, образованных в результате лазерного воздействия на твердые ткани, оценки изменения температуры твёрдых тканей зуба под действием импульсного лазерного излучения неодимового лазера, проведены автором лично. Постановка задач исследований, определение методов и интерпретация результатов выполнены при участии научного руководителя.

Публикации но теме диссертации. Материалы диссертации опубликованы в 19 печатных работах, в том числе в 3 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертации, 3 статьях в рецензируемых научных журналах, 3 статьях в сборниках трудов конференций и 10 тезисах докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы из 184 наименований. Общий объем диссертации 161 страница, из них 129 страниц текста, включая 35 рисунков и 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбора темы диссертациошюй работы, сформулирована цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту. Кратко рассмотрены структура и основное содержание диссертации.

В первой главе проведен обзор литературы по теме диссертационной работы. Кратко описана история и перспективы развития лазерной стоматологии. Приведены основные типы лазерных источников, используемых в хирургической стоматологии. Рассмотрены основные закономерности взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями, описываются современные представления о процессах, сопровождающих лазерную абляцию твердых материалов, строении и основных оптико-физических свойствах эмали и дентина зуба, а также основные закономерности абляции твердых биологических материалов. Отмечено, что для разрушения твердых тканей зуба наиболее часто используются Er:YAG и С02-лазеры, излучение которых хорошо поглощается эмалью и дентином зуба человека, однако подобное воздействие может привести к возникновению необратимых термических эффектов в этих тканях. В частности, использование непрерывного излучения СОг-лазера приводит к быстрому перегреву пульпы, а малая эффективность такого воздействия делает неприемлемым применение непрерывного излучения для деструкции твердых зубных тканей. Рассмотрен метод абляции короткими высокоинтенсивными импульсами с образованием приповерхностной лазерной плазмы, приведено обоснование выбора лазерно-плазменного метода для абляции эмали и дентина зуба человека. Приведены пороги лазерной абляции твердых биологических тканей излучением различных лазеров. Описан новый метод лазерной обработки твердых биотканей, который позволяет увеличить скорость ее удаления и отказаться от дополнительного охлаждения - лазерная абляция тканей цугом ультракоротких импульсов.

Вторая глава посвящена численной оценке нагрева твердых тканей зуба под действием импульсов неодимового лазера различной длительности. В первом разделе проведен обзор моделей лазерного разрушения твердых биологических тканей, приводятся методики оценки нагрева твердых тканей импульсным излучением и результаты таких оценок, описанные в литературе. Отмечено, что проведено множество экспериментов и построено большое количество моделей и оценок воздействия излучения эрбиевых лазеров с твердыми биологическими тканями. В тоже время, работ, посвященных оценке нагрева твердых зубных тканей импульсам различной длительности неодимового лазера, обнаружено не было. Поэтому второй раздел посвящен постановке теплофизической задачи нагрева эмали и дентина зуба человека импульсом неодимового лазера. Согласно теории Фурье, теплопроводность подчиняется закону:

q = -X gradT,

где: q - поток тепла через границу области. При достаточно коротких импульсах источники тепла концентрируются вблизи поверхности тела, поэтому задачу можно считать однородной [2] Пространственно-временное распределение поглощенного потока записывается в виде:

9 = (1 - Юдта^'Яе-^е-^Ч^) ,

где: Л - коэффициент отражения, </„„„ - максимальная плотность потока на поверхности. га- размер пучка на уровне е' от максимума, г - координата по глубине вещества, // - показатель поглощения материала, г - длительность импульса

излучения на полувысоте. Таким образом, функция е т 1 описывает пучок

гауссовой формы для однородного одночастотного излучения с модулированной добротностью резонатора, выражение (1 — представляет собой закон Бугера-

Ламберта-Бера. Дальнейшее аналитическое решение уравнения Фурье проводится методом интегрального преобразования Лапласа, с учетом функции ц(г,24). В одномерном случае (аъ » 2\'ат), при нагреве короткими импульсами (поверхностный нагрев) решение уравнения принимает вид:

Г(гд) = 2— Vот"; ег/ с (-4=1.

£ 2x21'

При объемном лазерном источнике и мгновенном нагреве решение представляется в виде:

Т(л,0 = ^ехр-**.

гр

Оценки изменения температуры при длительностях импульсов неодимового лазера 10 не и 900 мке (рис.1) на различной глубине тканей показали, что при воздействии импульсов микросекундной

длительности температура на поверхности эмали достигает величины ~1250°С, температура дентина составляет ~1900°С. Температура плавления основного структурного элемента эмали - гидроксилапатита составляет 1200°С. При воздействии импульсов в режиме модулированной добротности (гигантский импульс) нагрев на поверхности тканей составляет ~1900°С (эмаль) и ~1700°С (дентин), данные значения сравнимы с температурой испарения основных структурных элементов твердых тканей зуба. Теоретические оценки показали, что при воздействии импульсов длительностью 10 не происходит практически мгновенный нагрев тканей до температуры испарения. Энергия

Рис. 1. Теоретическая зависимость температуры твердых тканей зуба от толщины слоя ткани при длительностях импульсов лазерного излучения 40 не и 900 мке

импульса настолько быстро передается ткани-мишени, что тепло не успевает распространяться внутрь тела зуба. Быстрое повышение температуры ткани приводит к ее испарению и реализации механизма фотофизической абляции и не вызывает термических повреждений окружающих тканей, а возникающая при этом приповерхностная лазерная плазма из продуктов ткани-мишени способствует дополнительной обработке стенок отверстия.

Третья глава посвящена разработке и оптимизации параметров экспериментальной лазерной установки. Определены генерационные характеристики лазера, пространственные и временные характеристики лазерного излучения. Рассмотрен принцип кратковременной резонансной модуляции потерь и схема устройства лазера с кратковременной резонансной модуляцией потерь. Приведено описание экспериментальной установки для определения эффективности и оценки перегрева пульпарной камеры при взаимодействии импульсно-периодического излучения неодимового лазера с твердыми тканями зуба человека. Описана методика подготовки образцов и методика проведения эксперимента по определению ущерба, наносимого тканям окружающим отверстие, образованное под действием импульсов неодимового лазера различной длительности.

Схема установки представлена на рис.2. Установка разработана на базе твердотельного УАР:Мс13~ лазера КВАНТ-15. От базового лазера использовались без

Рис. 2. Блок- схема экспериментальной установки для исследования повреждений твердых тканей зуба при лазерном и лазерно-плазменном воздействии. 1 — модернизированный импульсно-периодический лазер «Квант-15», 2 - делительная пластинка, 3 -микрометрический винт, 4 - оптическая скамья, 5 - линза (Г = 5 см), 6 - исследуемый образец (зуб человека), 7 — кювета с воском, 8 — термопара, 9 - термопарный усилитель, 10 — блок питания, 11 - мультиметр М812, 12 - измеритель мощности оптический ИМО-2Н

изменений система двух квантронов (5) и блок накачки (7). Резонатор лазера образован выходным клиновидным зеркалом (8) и моноблочным электрооптическим модулятором (4) на основе кристалла ОКйР с «крышей». Разрядник (2) совместно с блоком задержки (6) используется для синхронизации импульса накачки лазера и импульса модуляции. Источник питания (3) вырабатывает высоковольтный импульс прямоугольной формы.

При включении генератора (1) осуществлялся режим кратковременной резонансной модуляции потерь (КРМП). За счет этого лазер генерирует импульсы от наносекунд до десятков пикосекунд, но с максимальной энергией. При отключении генератора и подаче управляющего высоковольтного импульс непосредственно на кристалл, установка будет работать в режиме модуляции добротности (гигантского импульса). Введение в лазерный резонатор управляемого амплитудного модулятора позволило получить три типа лазерных импульсов (рис.3): I тип — импульс свободной генерации общей длительностью по основанию порядка 1 мс, состоящий из хаотически распределенных по времени пичков, длительностью порядка 1 мке; II тип — импульс в режиме генерации гигантского импульса длительностью на полувысоте 40 не; III тип — импульс в режиме генерации кратковременной резонансной модуляции потерь общей длительностью цуга УКИ порядка 40 не, состоящий из эквидистантой последовательности 5-7 УКИ с длительностью отдельного пичка ~ 1 не. Таким образом, в одном лазере реализована возможность

осуществления трех режимов генерации (свободная генерации, гигантский импульс и кратковременная резонансная модуляция потерь) путем переключения управляющего сигнала электрооптического затвора. Лазер может работать в однократном и импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов в диапазоне 1-10 Гц. Максимальные значения энергии отдельных импульсов составили -0,6 Дж в режиме свободной генерации и -0,2 Дж в режимах гигантского импульса и кратковременной резонансной модуляции потерь.

Для экспериментального исследования характера повреждения твердых тканей при лазерном воздействии излучение направляется на измерительный блок, состоящий из фокусирующей системы, зуба и измерительного блока для измерения температуры внутри образца. Часть излучения лазера отклоняется стеклянными пластинами (9) для оценки энергии импульса с помощью измерителя ИМО-2Н

(10) и определения временных характеристик излучения с помощью коаксиального фотоэлемента

(11) ФК-15 и скоростного осциллографа (12) С7-19. Лазерное излучение фокусируется на поверхность образца зуба (13) при помощи микрометрического

винта и линзы с фокусным расстоянием f=5cM. Использование микрометрического винта позволило осуществлять фокусировку излучения с точностью до 0,5 мкм. Зуб неподвижно закреплен в кювете с воском (14). Измерение температуры в пульпарной камере проводилось при помощи вольтметра цифрового универсального В7-27 (18) с

хЫААЛХА

] икс

10 HC

Рис.3. Характерные осциллограммы, иллюстрирующие форму и временную структуру импульсов YAP:Nd3+-лазера:

(I тип (импульс свободной генерации), тип II (гигантский импульс), тип III (цуг УКИ)

датчиком температуры. Датчик температуры представляет собой термопару К-типа, усилитель на основе микросхемы ЛИ597А (16) и блок питания усилителя (17).

В четвертой главе обсуждаются результаты экспериментального исследования взаимодействия импульсно-периодического излучения неодимового лазера в режиме свободной генерации (с длительностью импульсов -900 мкс), модуляции добротности (гигантского импульса с длительностью импульсов ~10 не) и цуга ультракоротких импульсов (УКИ) с длительностью отдельного УКИ ~1 не с эмалью и дентином зуба человека.

В первом параграфе приведены результаты экспериментальных оценок нагрева твердых зубных тканей под действие лазерных импульсов различной длительности — от 1 не до 900 мкс. Исследования показали, что при воздействии на поверхность твердой биологической ткани импульсов неодимового лазера длительностью -900 мкс и частотой следования 1 Гц нагрев достигает существенных значений и может достигать критического значения 5,5сС при облучении поверхности зуба более 1,5 мин.

Экспериментальные оценки нагрева твердых тканей и пульпы зуба под действием коротких и ультракоротких импульсов показали, что при воздействии импульсно-периодического излучения неодимового лазера нагрев тканей не превышает 1 °С, такое повышение температуры не может привести к некрозу тканей зуба и не оказывает на них существенного влияния.

Второй параграф посвящен экспериментальному исследованию зависимости эффективности разрушения эмали и дентина от положения перетяжки лазерного пучка относительно поверхности исследуемой ткани. Установлено, что эффективность разрушения тканей зависит от положения точки фокусировки излучения (рис. 4). Глубина отверстия, образованного в дентине, больше, если фокальная плоскость оптической системы находится на расстоянии 1 мм от поверхности при воздействии импульсов микро и наносекундной длительности. При воздействии импульсов в режиме модуляции добротности глубина отверстий на эмали максимальна, если излучение сфокусировано на поверхность ткани.

В третьем параграфе обсуждаются результаты

экспериментального исследования морфологических и тепловых повреждений твердых тканей при воздействии импульсов

неодимового лазера с

длительностью от 1 не до 900 мкс.

0,8 \<И с1, мм —• пугУКЩдентвм) 111 (эмаль) ГИ (Д«И1Я8) и\г УКШ?«аль) „А

* - ---- -----------

*

А..............

-I о 1

Рис.4. Зависимость диаметров лунок от расстояния до точки фокуса линзы

проведения измерении и проведены оценки порогов

Описана методика плазмообразования.

Приведены результаты микроскопии отверстий, полученные при исследовании состояния стенок отверстий в эмали и дентине для различных режимов облучения. Отмечается, что при воздействии лазерных импульсов микросекундной длительности на поверхности отверстия, образованного при лазерном воздействии наблюдаются расплав,

карбонизация и растрескивание материала ткани вблизи стенок отверстия (рис. 5). Размер микроповреждений на поверхности лунки составляет величину ~10 мкм в эмали и ~50 мкм в дентине. В случае использования импульсного лазерного излучения с длительностью импульса 10 пс или цуга импульсов наблюдается высокое качество отверстий, отсутствуют видимые следы сильного повышения температуры па поверхности тканей (оплавление, обугливание, карбонизация).

В этом же разделе приводятся результаты экспериментального исследования

геометрических параметров отверстий, образованных в эмали и дентине зуба человека под действием импульсов лазерного излучения с длительностью ~1 не - 900 мкс. Глубина отверстий в эмали при воздействии импульсов в

Рис. 5. Сверху вниз представлены типичные фотографии отверстий, образующихся в дентине (слева) и эмали (справа) при воздействии в режимах свободной генерации, режиме генерации гигантского импульса и режиме кратковременной резонансной модуляции потерь

режиме свободной генерации составляет -10-15 мкм при энергии излучения 0,4-0, 5 Дж и 0,6-0,7 мкм при энергии 0,6-0,7 Дж. В дентине соответствующие значения глубины отверстий составляют ~ 20 мкм при энергии излучения 0,4-0,6 мкм, с увеличением энергии от 0,6 до 0,7 Дж глубина резко возрастает до -40 мкм.

Нелинейное увеличение глубины отверстия с увеличением энергии может быть объяснено тем, что импульсы высокой энергии практически моментально (за 1 - 2 импульса) вызывают карбонизацию ткани и образование углерода. Выделение углерода влечет за собой почернение поверхности, что в свою очередь приводит к резкому увеличению коэффициента поглощения тканей, а, следовательно, и увеличению глубины обработки. При воздействии одиночных импульсов или цуга ультракоротких импульсов длительностью менее или равной 10 не глубина отверстий в твердых зубных тканях линейно увеличивается с увеличением энергии излучения в диапазоне 0,1-0,2 Дж (рис. 6).

КРМП < шаль) * ГИ (.»мал ь) » П! (дентин) & КРМП (дситнн)

Г

Отверстия, образованные под действием импульсного излучения в режиме модуляции добротности имеют

конусообразную форму, при воздействии импульсов в режиме КРМП - цилиндрическую. Глубина отверстий в дентине, образованных под действием импульсов в режиме модуляции добротности сравнима с глубиной отверстий, полученных при воздействии цуга УКИ. В то 150 200

время, как глубина отверстий в

эмали при воздействии на Рис 6 Зависимость глубины лунки (Ь, мкм) от поверхность ткани в режиме энергии излучения в (Е, мДж) при воздействии КРМП в 2-2,5 раза превышает импульсного лазерного излучения режимах

глубину отверстий, полученных ГИ и КРМП (£=1 Гц)

при воздействии импульсов в режиме ГИ. Таким образом, можно сделать вывод, что для эффективного разрушения эмали наиболее подходящим является режим цуга ультракоротких импульсов.

Четвертый параграф посвящен экспериментальному исследованию влияния увеличения частоты следования импульсов лазерного излучения на глубину отверстий, образованных в эмали и дентине зуба. Показано (рис. 7), что увеличение частоты следования импульсов в диапазоне 1-10 Гц не ведет к существенному снижению скорости абляции эмали и дентина зуба человека при воздействии импульсов в режимах генерации гигантского импульса и кратковременной резонансной модуляции потерь. Небольшое уменьшение глубины кратеров при повышении частоты следования импульсов излучения в импульсно-периодическом

режиме, связано с тем, что выбрасываемые при абляции поверхности мелкодисперсные частицы материала зуба частично экранируют энергию излучению последующих импульсов, не успевая за промежуток времени между импульсами полностью покинуть оперативную зону.

Полное время жизни паро-плазменного облака составляет -10 мкс, а период следования импульсов -0,1 с, поэтому факел

--г-Эмаль (П1)

---- « Денни (ГШ

- - ^ -а- Эмаль (КРМШ - « -Дсншн 1 КРЫЛ)

Рис. 7. Зависимость глубины кратера от частоты следования импульсов на эмали и на дентине в режимах генерации ГИ и КРМП

успевает затухнуть к моменту времени следования очередного импульса и не вносит существенного вклада в результаты действия предыдущего импульса.

Поскольку основным параметром при лазерном воздействия является не длительность импульса, а плотность мощности (интенсивность) излучения, то было проведено экспериментальное исследование зависимости размеров отверстий в твердых зубных тканях от плотности мощности излучения. Полученная зависимость без учета фокусировки излучения линзой (апертура пучка 2 мм) показана на рис. 8.

В диапазоне энергий до 0,5 ГВт/см3 глубина удаления дентина практически в 2 раза больше, чем эмали и при увеличении плотности мощности они также увеличиваются. При увеличении плотности мощности излучения в пределах 0,5-0,8 ГВт/см2 глубина абляции эмали резко возрастает и становится сравнима с глубиной абляции дентина. Такой результат может свидетельствовать о том, что при высоких плотностях мощности, более 0,5 ГВт/см2, перестает доминировать тепловой механизм удаления ткани и свой вклад в абляцию начинают вносить нелинейные процессы, в частности, многофотонное поглощение. Можно предположить, что в данном случае происходит трехфотонное поглощение излучения, и действие неодимового лазера с длиной волны 1,079 мкм будет соответствовать действию УФ-излучения (355 им). Это означает, что излучение неодимового лазера при достаточной плотности мощности .может привести к эффективной абляции твердых эмали, несмотря на отсутствие у нее полос поглощения в этой спектральной области.

В пятом разделе проведено сравнение эффективности удаления твердых тканей полученных экспериментально при воздействии импульсов неодимового лазера длительностью различной длительности с результатами, полученными другими авторами при воздействии излучением эрбиевого лазера, а также данных для различных стоматологических механических боров, проведено сравнение скорости препарирования тканей зуба различными инструментами. Сравнение показало, что для достижения аналогичных работе эрбиевого (2,78 мкм) лазера результатов необходима частота следования импульсов ~10Гц при удалении эмали и ~ 15 Гц при удалении дентина.

Таким образом, рассмотрены перспективы использования цуга УКИ, особое внимание акцентируется на простоте устройства и универсальности использования лазерной установки, способной генерировать импульсы в широком диапазоне длительности (от 1 не до 1 мс) и различной пространственно-временной структуры.

h, цт

у

У

/

enamel

l GW/cm1

О 0.4 0.6 0.8

Рис. 8. Зависимость глубины кратера для эмали и дентина от плотности мощности лазерных импульсов

В Заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты исследований, их практическая ценность и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана и реализована экспериментальная импульсно-периодическая лазерно-измерительная установка для исследования импульсной лазерной абляции твердых тканей зуба человека неодимовым лазером в широком диапазоне длительностей импульсов 1 нс-900 мке и определения характера повреждений тканей, а также оценки их нагрева под действием импульсов различной длительности. Проведена серия экспериментов по удалению эмали и дентина зуба человека импульсами неодимового лазера длительностью 1 не- 900 мке с частотой следования 1-10 Гц и определению нагрева отдельно твердых тканей и пульпы зуба. Энергия в импульсе варьировалась в диапазоне 0,1-1 Дж. Показано, что КРМП-лазер является эффективным инструментом для абляции твердых зубных тканей.

2. Проведены численные оценки изменения температуры твердых тканей зуба при воздействии импульсами неодимового лазера. Длительность импульсов варьировалась в пределах 1 не- 900 мке. Установлено, что при воздействии на зубные ткани лазерным излучением в режиме свободной генерации перегрев тканей выше, чем при воздействии излучением в режиме гигантского импульса. При длительном импульсно-периодическом воздействии (>10 секунд с частотой до 10 Гц) импульсами микросекундной длительности температура пульпы зуба достигает критического значения 5,5°С, что может привести к необратимым последствиям. При уменьшении длительности импульсов до десятков наносекунд и ниже нагрев, как пульпы, так и отдельных тканей зуба не превышает 1°С. Полученные расчетные результаты хорошо совпадают с экспериментальными измерениями.

3. Разработан и реализован зондовый термопарный датчик с усилительной схемой для контроля изменения температуры в пульпе зуба, позволяющий регистрировать изменение температуры с точностью до 0,1 °С. Экспериментально измеренный перегрев твердых тканей зуба составляет: в режиме микросекундных импульсов 1,5°С для эмали и 30°С для дентина сухих зубов, перегрев свежеэкстрагированных зубов составляет 10°С - для эмали и 30°С - для дентина. Установлено, что перегрев тканей как эмали, так и дентина тем меньше, чем меньше длительность действующего на ткань лазерного импульса. Для свежеэкстрагированных зубов людей перегрев при воздействии с длительность импульсов неодимового лазера длительностью 1-40 не не превышает чувствительности схемы с термодатчиком.

4. Экспериментальные исследования характера и степени повреждений тканей при воздействии микросекундных импульсов (режим свободной генерации) неодимового лазера показали, что подобное импульсно-периодическое воздействие приводит к оплавлению и карбонизации тканей эмали и дентина, что свидетельствует о повышении температуры тканей выше критического значения. Диаметр и глубина кратеров линейно увеличиваются с увеличением энергии импульсов от 150 до 400 мкм за 60 импульсов.

5. Экспериментально исследованы механические и термические повреждения твердых тканей зуба при воздействии импульсами неодимового лазера импульсами длительностью 10 не и цугом ультракоротких импульсов длительностью на полувысоте 40 не (длительность одного импульса ~1 не). Впервые продемонстрировано, что при воздействии одиночных импульсов или цуга ультракоротких импульсов наносекундной длительности края лупок на эмали и дентине получаются достаточно ровные, отсутствуют следы сильного нагрева и растрескивания тканей. Изменение частоты следования импульсов в диапазоне 1-10 Гц не влияет на глубину и диаметр абляционных кратеров, а только увеличивает скорость удаления тканей.

6. Проведенная оценка размеров микроповреждений на эмали и дентине зуба под действием мощного импульсного лазерного показала, что при воздействии на дентин длинными импульсами (~1 мке), размеры областей оплавления и обугливания сравнимы с размерами микрократера. При воздействии короткими импульсами (~40 не) диаметр кратеров почти в два раза меньше, чем при воздействии ультракороткими импульсами (~1 не). Кратеры, образовавшиеся на дентине, меньше, чем на эмали, при тех же параметрах воздействия. Сделан вывод, что для обработки (удаления материала) дентина более подходящим по производительности является режим гигантского импульса (10-100 не), а для обработки эмали - режим ультракоротких импульсов (от 1 не и короче).

7. Установлено, что глубина абляции дентина при воздействии в режиме гигантских импульсов практически в два раза превышает глубину абляции эмали. При импульсной лазерной абляции эмали и дентина в режиме цуга УКИ глубины абляции эмали и дентина практически совпадают и составляют -10 мкм за 1 импульс. При интенсивности излучения импульсного неодимового лазера более 0,5 ГВт/см' глубина абляции эмали сравнима с глубиной абляции дентина и не зависит от плотности мощности излучения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Al. Храмов В. Н., Чебакова Т. С., Бурлуцкая Е. Н. и др. Исследование оптимальных параметров импульсно-периодического воздействия излучения неодимового лазера на твердые ткани зуба // Медицинская физика. 2011. Т. 49, № 1. С. 260-266.

А2. Храмов В. Н., Демьянова Т. С., Бурлуцкая Е. Н., Данилов П. А. Исследование характера микроповреждений на поверхностях твердых тканей зуба при воздействии лазерными импульсами различной длительности // Научно-технический вестник Поволжья. 2012. № 1. С. 21-25.

A3. Храмов В. Н., Демьянова Т. С., Бурлуцкая Е. Н., Данилов П. А. Повреждение эмали и дентина зуба импульсами неодимового лазера различной длительности // Современные проблемы науки и образования. 2011. № 3. URL: www.science-education.ru/103-6254 (дата обращения:28.05.2012).

A4. Khramov V. N., Chebakova Т. S., Burhitskaya Е. N. Influence of the high-energy ultrashort pulses of the Nd-laser on hard tooth tissues // Proceedings, of SP1E. 2011. T. 1994. C. 799419-1 — 799419-6.

А5. Линченко И. В., Храмов В. Н., Чебакова Т. С. Поверхностное повреждение твердых тканей зуба при лазерном и лазерно-плазменном воздействиях // Вестник СПбО АИН. 2008. Т. 4. С. 346-358.

А6. Храмов В. Н., Олейник Т. В., Любухина К. А., Чебакова Т. С. Определение порога оптического пробоя волоконных световодов при воздействии короткими лазерными импульсами // Лазеры. Измерения. Информация: Сборник докладов 19-й международной конференции. 2009. Т. 4. С. 64-71.

А7. Храмов В. Н., Чебакова Т. С., Линченко И. В. и др. Исследование производительности импульсно-периодического лазерно-плазменного воздействия на дентин и эмаль // Лазеры. Измерения. Информация: Сборник докладов 19-й международной конференции. 2009. Т. 4. С. 166-173.

А8. Храмов В. Н., Чебакова Т. С., Бурлуцкая Е. Н. Повреждение твердых тканей зуба при воздействии лазерных импульсов различной длительности // Сборник конкурсных докладов: VIII Всероссийского молодежного Самарского конкурса-конференции научных работ по оптике и лазерной физике. Самара, 17-20 ноября 2010 г. 2010. С. 260-266.

А9. Храмов В. Н., Демьянова Т. С., Бурлуцкая Е. Н., Данилов П. А. Стоматологический импульсно-периодический неодимовый лазер // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия №10. Инновационная деятельность. Вып. 5. 2011. С. 9-13.

Л10. Храмов В. Н., Линченко И. В., Чебакова Т. С. Поверхностное повреждение твердых тканей зуба при лазерном и лазерно-плазменном воздействиях // Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии - 2008. Труды XVI Международной Конференции п. Абрау-Дюрсо, г. Новороссийск, Краснодарский край, 8-12 сентября 2008 г. 2008. С. 174.

All.Храмов В. Н., Линченко И. В., Чебакова Т. С. и др. Исследование производительности импульсно-периодического лазерно-плазменного воздействия на дентин и эмаль // Лазерио-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии - 2009. Труды XVII Международной Конференции п. Абрау-Дюрсо, г. Новороссийск, Краснодарский край, 8-12 сентября 2009 г. 2009. С. 26-27.

Al 2. Храмов В. Н., Чебакова Т. С., Олейник Т. В., Любухина К. А. Определение порога оптического пробоя волоконных световодов при воздействии короткими лазерными импульсами // Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии - 2009. Труды XVII Международной Конференции п. Абрау-Дюрсо, г. Новороссийск, Краснодарский край, 8-12 сентября 2009 г. 2009. С. 62-63.

А13. Чебакова Т. С., Любухина К. А., Данилов П. А., Асыко Т. Н. Нагрев твердых тканей зуба под действием импульсов YAP:Nd3+ лазера // ВНКСФ-16: Сборник трудов 16 Всероссийской конференции студентов-физиков и молодых ученых. 2010. С. 403^104.

А14. Храмов В. Н., Линченко И. В., Чебакова Т. С. и др. Применение лазерной плазмы в стоматологии // III Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика 2010» 21-25 июня 2010 г. Сборник материалов. Москва. 2010. Т. 4. С. 160-161.

А15. Khramov V. N., Chebakova Т. S., Burlutskaya Е. N. Influence of the high-energy ultrashort pulses of the Nd-Iaser on hard tooth tissues // International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (LAT 2010) Technicál Digest on CD-ROM (Kazan, Russia, August 23-26, 2010), LThNl. (CD). 2010.

А16. Храмов В. Н., Чебакова Т. С., Бурлуцкая Е. Н., Любухина К. А. Исследование характера повреждения эмали и дентина при импульсно-периодическом лазерно-плазменном воздействии // Тезисы докладов на XIV Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области, г.Волгоград, 11-13 ноября 2009. Выпуск 4. 2009. С. 15-17.

А17. Храмов В. Н., Чебакова Т. С., Бурлуцкая Е. Н., Данилов П. А. Исследование характера микроповреждений на поверхностях твердых тканей зуба при воздействии лазерными импульсами различной длительности // Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии - 2011. Труды ГХХ Международной Конференции п.Абрау-Дюрсо, г.Новороссийск, Краснодарский край, 12-16 сентября 2011 г. 2011.С. 30-31.

А18. Демьянова Т.С., Е.Н. Бурлуцкая, П.А. Данилов, В.Н. Храмов Исследование абляции твердых тканей зуба короткими и ультракороткими импульсами неодимового лазера // Сборник материалов V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине» 4-8 июня 2012 г. Т.1. С.181-182.

А19. Данилов П.А., Демьянова Т.С., Бурлуцкая Е.Н. Микроповреждение эмали и дентина импульсами неодимового лазера // Сборник тезисов международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2012». Секция «Физика». 11 апреля 2012 г. г. Москва. С. 131-132.

Список цитируемой литературы

1. Конов В. И., Осико В. В., Щербаков И. А. Фундаментальные достижения оптики и лазерной физики для медицины // Вестник РАН. 2004. Т. 74, № 2. С. 99-113.

2. Jalil L. A., Labella R., Pearson G. J. Surface tomography of enamel and dentine from primary teeth following intra-red Nd-YAG laser irradiation: an vitro study // Lasers Med Sci. 1997. Vol. 12. Rohanizadeh R., Jean A., Daculsi G. Effects of Q-switched Nd:YAG Laser on Calcified Tissues //Lasers in medical science. 1999. Vol. 14. P. 221-227.

3. Lizarelli R. F. Z., Bagnato V. Dentistry applications using a picoseconds Nd:YAG laser// Laser Physics. 2003. Vol. 13, no. 5. P. 781-785.

4. Goldman L., Hornby P., Meyer R., Goldman B. Impact of the laser on dental caries // Nature. 1964. Vol. 203. P. 417.

5. Аникеев Б. В. О динамике активной фазировки мод в импульсном лазере с периодической модуляцией потерь // Письма в ЖЭТФ. 1974. т.19, №1. С. 34-38.

6. Khramov V. N., Zatrudina R. Sh., Anikeev В. V. Reproducibility of parameters of pulses produced by lasers with short-term periodic modulation of losses // Laser physics. 1993. Vol. 3. no. 3. P. 559-565.

7. Аникеев Б.В., Храмов B.H., Подольский В.Л. О возможности лазерно-плазменной технологии в стоматологических операциях // Известия Академии наук. Сер.физ. 1999. Т.63, №1. С.1155-1158.

8. Khramov V.N. The laser-plasma action on hard tooth tissues // Proceedings of SPIE: Lasers for Measurements and Information Transfer 2005. 2006. Vol. 6251. P.l B-1-1B8.

Подписано в печать 19.01.13 Формат 60x847)6 Цифровая Печ. л. 1.0 Тираж 100 Заказ 10/01 печать

Отпечатано в типографии «Фалкон Принт» (197101, г. Санкг-Пстсрбург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)