Εισαγωγή στα οδοντιατρικά laser

Transcript

1

2 Εισαγωγή στα οδοντιατρικά laser Καθ. Κοσμάς Τολίδης DDS, MSc, PhD, LSO Δρ. Δημήτρης Στράκας DDS, MSc, PhD, LSO Εργαστήριο Οδοντικής Χειρουργικής Κλινική Οδοντιατρικών Εφαρμογών Laser και Μικροσκοπίας

3 Ηλεκτρομαγνητικό Κύμα r Κατεύθυνση διάδοσης Το ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο, ταλαντώνονται κάθετα προς την κατεύθυνση διάδοσης

4 Ιδιότητες Ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα μπορεί να χαρακτηριστεί από τις ακόλουθες τιμές: wavelength / μήκος κύματος λ frequency / συχνότητα ν amplitude / πλάτοςa

5 Κβαντική θεωρία / Φάσμα Ταχύτητα φωτός finite proof by Ole Christensen Römer, constant Postulate by Albert Einstein, 1905, c 0 = m/s στο κενό

6 Κβαντική θεωρία Μήκος κύματος και συχνότητα συνδέονται με την ταχύτητα διάδοσης c 0 = λ ν φως = ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία = φορέας ενέργειας Ενέργεια του μικρότερου φορέα ενέργειας (Φωτόνιο): Μήκος κύματος, συχνότητα και ενέργεια συνδέονται με τη σχέση: Ενέργεια κύματος E wave = E Photon αριθμό φωτονίων E Photon = h ν με h = 6, Js

7 Κβαντική θεωρία Η θεωρία των φωτονίων είναι χρήσιμη για να περιγραφεί η αλληλεπίδραση με την ύλη. φως = ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία = φορέας ενέργειας Ενέργεια του μικρότερου φορέα ενέργειας (Φωτόνιο): E Photon = h ν με h = 6, Js

8 Απορρόφηση και Εκπομπή Φωτόνιο Ηλεκτρόνιο Πυρήνας Εκπομπή E a E b Κατάσταση ηρεμίας Απορρόφηση ενός φωτονίου Διεγερμένη κατάσταση

9 Απορρόφηση και Εκπομπή E a - E b = V ab hν = hν Απορρόφηση E a = Ενέργεια διεγερµένου επιπέδου = hν E b = Ενέργεια επιπέδου ηρεµίας h = σταθερά Planck = 6, Js ν = συχνότητα [1/s] Αυθόρµητη Εκποµπή = hν Εξαναγκασµένη Εκποµπή = 2 hν

10 Πηγή ενέργειας (άντλησης) Εκκένωση αερίου Ηλεκτρική Οπτική Ενεργό μέσο Αέρια Υγρά Ημιαγωγοί Υλικά στερεής κατάστασης Οπτική κοιλότητα (Κάτοπτρα) Laser - Βασικές αρχές Υπεύθυνη για το μικρό εύρος ζώνης φάσματος Υπεύθυνη για την ευθύγραμμη δέσμη

11 Laser - Βασικές αρχές L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation Ε νίσχυση Φ ωτός µέσω Ε ξαναγκασµένης E κποµπής Ακτινοβολίας Υψηλή φασματική ενέργεια και πυκνότητα ισχύος Μονοχρωματικότητα Εκλεκτικότητα Ευθυγράμμιση Συνεκτικότητα (συμφασικό)

12 Laser - Τρόποι λειτουργίας Συνεχής λειτουργία (CW): διοδικά - CO2 laser CW pulsed Παλμική λειτουργία: Er:YAG, Er,Cr:YSGG, Nd:YAG chopped cw pulsed Διακοπτόμενη λειτουργία: διοδικά laser

13 Laser στερεού ενεργού μέσου HV + Flash lamp Housing Beam Laser - rod Optical resonator

14 Συστήματα μετάδοσης φωτός Αρθρωτοί βραχίονες για Er:YAG ή CO 2 Μήκος περίπου 1,6 m Ιδιότητες - Πολύ καλή μετάδοση - Καλή μηχανική σταθερότητα - Μετάδοση υψηλών ενεργειών -Περιορισμένη ευκινησία

15 Συστήματα μετάδοσης φωτός Οπτικές ίνες Mήκος περίπου 1-2 m Ιδιότητες - Καλή ως μέτρια μετάδοση - Κίνδυνος θραύσης - Εξαρτάται από το μήκος κύματος. Μέχρι τα 2,5 µm είναι αξιόπιστα και φτηνά. Για μεγαλύτερα μήκη κύματος απαιτούνται ειδικά υλικά. - Μεγάλη ευκινησία

16 Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

17 Τα laser στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

18 Laser- Επισκόπηση laser μήκος κύματος διέγερση Excimer : 308 nm εκκένωση αερίου Argon-Ion : 488 / 514 nm εκκένωση αερίου Diode : 445/810/940 /980 nm ηλεκτρική Neodymium:YAG : 1064 nm οπτική Erbium:YAG : 2940 nm οπτική Er,Cr:YSGG : 2780 nm οπτική CO 2 : 9,6 / 10,6 μm εκκένωση αερίου

19 NIR (Near infrared) Diode lasers ( Nd:YAG (1064 nm) Er:YAG (2940 nm) MIR (Mid infrared) Er,Cr:YSG G (2780 nm) CO2 (9,3-10,6 μm) Hard Tissue Soft Tissue Aachen Dental Laser Cente

20 Selective Caries Removal Cavity Preparation Caries Diagnosis Soft Tissue Management before cavity preparation Power Bleaching Veneer Removal Aachen Dental Laser Cente

21 Αλληλεπιδράσεις με τους ιστούς Ανάκλαση στην επιφάνεια του ιστού - Ανάκλαση Fresnel - Διάχυτη ανάκλαση Αλληλεπίδραση µε τον ιστό - Απορρόφηση - Σκέδαση Μετάδοση µέσω του ιστού - Ευθύγραµµη µετάδοση - Διάχυτη µετάδοση Laser Ανάκλαση Απορρόφηση Μετάδοση Σκέδαση

22 Απορρόφηση στους ιστούς Exponential decline of intensity! Laser IN Tissue Laser out Definition of penetration depth: The value, where I has dropped to 1/e of the incident intensity. I 0 Intensity / W/cm2 Depth in tissue x / cm

23 Πίνακας απορροφήσεων µ A /cm Hemoglobine Protein 810/940/980 nm 1064 nm 2ω Nd:YAG Nd:YAG Erbium Diodes Melanin 2780/2940 nm Scattering ,1 1 Wavelength /µm 3 Water Hydroxyapatite 9,6/10,6 μm CO 2 10

24 Σχέσεις μεταξύ ενέργειας, μέσης ισχύος, ισχύος παλμού και ρυθμού επανάληψης Power Peak Power Pulse Energy Pulse Duration Pulse pause! Repetition Rate Pulses per second! Peak Power Power during emission! Pulse Energy Energy of one pulse P Peak Average Power! Pulse Duration Duration of a single emission! Pulse pause Time between 2 pulses (equals 1/ repetition rate) P avg Time / µs

25 Σχέση μεταξύ ενέργειας, μέσης ισχύος, μέγιστης ισχύος και ρυθμού επανάληψης παλμών Μέση Ισχύς: P = E / T = E * f E ενέργεια παλμού Ισχύς παλμού: f ρυθμός επανάληψης παλμών PL = E / t P μέση ισχύς Ενέργεια παλμού: PL μέγιστη ισχύς παλμού E = P * T = P / f t διάρκεια παλμού Ενεργειακή πυκνότητα: T χρόνος μεταξύ 2 ED = E / (πd 2 /4) παλμών= 1/f Μέση πυκνότητα ισχύος: D διάμετρος P / (π D 2 /4) ακτινοβολούμενης Πυκνότητα ισχύος στη διάρκεια του παλμού: επιφάνειας (spotsize) PL / (π D 2 /4)

26 Αλληλεπίδραση με τους ιστούς επιδράσεις και η σχέση τους με το χρόνο Intensity / W cm Ablation Aachen Institution for Laser Dentistry Thermal effects Vaporisation Photochem. Reactions Coagulation Photodyn. Therapy Biomodulation Exposure time / s Quellen: 1 M. H. Niemz, Laser-tissue interactions - Fundamentals and applications, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York H. Kar, H. Ringelhan, Grundlagen der Technik der Photoablation, in Advances in Laser Medicine, Bd. 6, Hrsg. G. J. Müller, H.-P. Berlien, Ecomed, Landsberg/Lech A. Katzir, Lasers and optical fibers in medicine, Academic Press, Inc., San Diego, New York, Boston 1993,

27 continous mode (CW) pulsed mode ισχύς [W] µήκος κύµατος time of irradiation [s] spot size [cm 2 ] ενέργεια παλµού [J] διάρκεια παλµού [s] µέση ισχύς [W] ρυθµός επανάληψης [s -1 ] πυκνότητα ισχύος [W/cm 2 ] ενεργειακή πυκνότητα, fluence [J/cm 2 ] H. v. Benthem, Wirkungsmechanismus des Lasers in der Zahnheilkunde, ZMK, 16(7/8), (2000).

28 Παρασκευές με διαστρωματική αφαίρεση αδαμαντίνης (αριστερά) και οδοντίνης (δεξιά) με ένα laser Er:YAG και οι αντίστοιχες απεικονίσεις ηλεκτρονικού μικροσκοπίου (παρατηρείστε τα ανοιχτά οδοντινοσωληνάρια στην οδοντίνη).

29 Πρώτη ερευνητική εργασία σε παιδιά DenBesten PK et al. The safety and effectiveness of an Er:YAG laser for caries removal and cavity preparation in children. Med Laser Appl. 2001;16:

30 Πλεονεκτήματα χρήσης laser - Εκλεκτικότητα. Εξοικονόμηση υγιούς οδοντικής ουσίας - Απουσία οδοντινικού ξέσματος (smear layer) - Κοιλότητα ελεύθερη μικροβίων - Αυξημένη ισχύς συγκόλλησης - Μειωμένη μικροδιείσδυση - Μειωμένος κίνδυνος εμφάνισης δευτερογενούς τερηδόνας - Προστασία οδοντικού πολφού - Στην πλειοψηφία των ασθενών δεν απαιτείται αναισθησία - Μειωμένο stress ασθενούς

31 Μειονεκτήματα χρήσης laser - Η αφαίρεση αμαλγάματος και η παρασκευή κολοβώματος για προσθετική εργασία δεν είναι εφικτή - Ο χρόνος εργασίας είναι μεγαλύτερος - Αναγκαιότητα ορθής εκπαίδευσης του οδοντιάτρου - Υψηλό κόστος απόκτησης

32 Why laser safety? Laser radiation can cut or destroy human tissue & eyes are in particular danger as they are much more sensitive to light, and it is possible to irreversibly lose one's eyesight with just one glance into a laser beam even with lower power. - self-protection - personnel and patient safety

33 Comparison laser / hot plate laser beam 1 mw diameter spot size power density for comparison: hot plate (1 kw): 3 W/cm 2, this equals to a factor of over 400! Aachen Institution for Laser Dentistry

34 Laser Classes

35 Laser categories according to EN (November 2001) Lasers have to be categorized into hazard classes. The bases for this classification are the so-called AEL values (accessible emission limit). These limits indicate the class of the laser and are listed in EN Class Concept Comment 1 The radiation emitted by this laser is not dangerous No need for protection equipment 1M Eye safe when used without optical instruments,may not be safe when optical instruments are used No need for protection equipment, if used without optical instruments 2 Eye safe by aversion responses including the blink reflex. No need for protection equipment 2M 3R 3B The light that can hit the eye has the values of a class 2 laser, depending on a divergent or widened beam, it may not be safe when optical instruments are used The radiation from this laser exceeds the MPE values (MPE: maximum permissible exposure). The radiation is max. 5 x AELs of class 1 (invisible) or 5 x of class 2 (visible). The risk is slightly lower than that of class 3B Old class 3B without 3R. The view into the laser is dangerous. Diffuse reflections are not regarded as dangerous. No need for protection equipment, if used without optical instruments Dangerous to the eyes, safety glasses are recommended Dangerous to the eyes, safety glasses are obligatory Old class 4 Aachen 4 Institution Even for Laser scattered Dentistry radiation can be dangerous, also danger of fire and danger to the skin Personal safety equipment is necessary (glasses, screens)

36 Eye protection Penetration depth of electromagnetic radiation into the eye Aachen Institution for Laser Dentistry

37 Eye protection Examples of labels on laser goggles CE-Norm is sufficient Aachen Institution for Laser Dentistry Not necessary

38 Eye protection Examples of laser goggles Aachen Institution for Laser Dentistry