Ακτίνες laser στην οδοντιατρική

Ακτίνες laser στην οδοντιατρική Τεχνολογία ιατρικών laser στην Οδοντιατρική Σπυράτου Ελίνα Διδάκτωρ της Σχολής Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών, Τομέας Φυσικής, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα Προαιρετικό μάθημα «ΑΚΤΙΝΕΣ LASER ΣΤΗΝ ΟΔΟΝΤΙΑΤΡΙΚΗ» ΑΘΗΝΑ, 2018

Ανατομία του δοντιού Η αδαμαντίνη είναι ο σκληρότερος ιστός και αποτελείται από 96% ανθρακικό υδροξυαπατίτη, 3% νερό και 1% οργανικά στοιχεία. Η οδοντίνη αποτελείται 70% από μέταλλα, κυρίως ρίζες φωσφορικού ασβεστίου με τη μορφή του υδροξυαπατίτη [Ca 10 (PO 4 )(OH 2 )], 20% από οργανικά στοιχεία κυρίως κολλαγόνο και 10% νερό. Η δομή της αποτελείται από μικροσωληνίσκους οι οποίοι είναι γνωστοί ως οδοντινοσωληνάρια και εκτείνονται κατά μήκος από την περιοχή του ριζικού σωλήνα μέχρι το σημείο επαφής οδοντίνης αδαμαντίνης.

Ο υδροξυαπατίτης παρουσιάζει κορυφή απορρόφησης στα 2.81 μm, και έντονη απορρόφηση στη περιοχή των 8.9-11.1 μm. Το κολλαγόνο που είναι και αυτό βασικό συστατικό του οδοντικού ιστού κυρίως της οδοντίνης παρουσιάζει ως πρωτεΐνη έντονη απορρόφηση στα 3 μm (amide A), στα 3.25 μm(amide B),στα 6.06 μm(amide I),6.45 μm(amide II) και στα 8.06μm (amide III).

Συστήματα οδήγησης της δέσμης 1. Free beam Lens 2. Optical fiber 3. Articulated arm

Συστήματα μεταφοράς δέσμης Η κατανομή του φωτός από το άκρο οπτικών ινών Παραδείγματα γεωμετρίας ακτινοβόλησης. α), β) επιφανειακή ακτινοβόληση από ευρεία δέσμη ή οπτ. ίνα με φακό. γ) - ε) εσωτερική ακτινοβόληση με διάφορες οπτικές ίνες

Εφαρμογές των laser στην οδοντιατρική Διάγνωση κρυμμένης τερηδόνας: diode laser (λ= 655 nm) Eπιλεκτική αφαίρεση τερηδόνας: Er:YAG laser (λ=2.94 μm) Οδοντική χειρουργική (σφράγισμα): Er:YAG laser (λ=2.94 μm) Ενδοδοντία: Αποστείρωση ριζικών σωλήνων και περιακρορριζικού χώρου με Nd:YAG Laser, ή διοδικό Laser Κάλυψη-αποστείρωση πολφού με Er:YAG Laser. Πολφοτομή με Er:YAG Laser. Θεραπεία συριγγίων με Nd:YAG Laser. Διάνοιξη-παροχέτευση αποστήματος με Nd:YAG Laser ή διοδικό Laser. Θεραπεία κύστεων με Nd:YAG Laser. Ακρορριζεκτομή με Er:YAG Laser. Περιοδοντία: Αποτρύγωση δοντιών (καθαρισμός) με Er:YAG Laser με Feedback System Θεραπεία χρόνιας γενικευμένης ή εντοπισμένης ουλίτιδας με Er:YAG Laser, Nd:YAG Laser, διοδικό Laser, ή KTP Laser. Ουλεκτομή - ουλοπλαστική με Er:YAG Laser, Nd:YAG Laser, διοδικό Laser, ή KTP Laser. Θεραπεία περιοδοντίτιδας με Er:YAG Laser ή/και σε συνδυασμό με Nd:YAG Laser, διοδικό Laser, ή KTP Laser, χωρίς κρημνούς και ράμματα. Χειρουργική θεραπεία περιοδοντίτιδας με Er:YAG Laser και Nd:YAG, ή διοδικό Laser με κρημνό και συρραφή. Θεραπεία περιοδοντικού αποστήματος με Er:YAG Laser, Nd:YAG Laser, ή συνδυασμό και των δύο (ή άλλους τύπους Laser). Low Level Laser Therapy για ώθηση της οστικής ανάπλασης.

Διάγνωση κρυμμένης τερηδόνας με τη χρήση ανοσοφθορισμού Το φαινόμενο του φθορισμού βρίσκει πολλές βιοϊατρικές εφαρμογές, από την οπτική βιοψία έως τη λειτουργική οπτική απεικόνιση.

Φασματοσκοπία του laser-επαγόμενου φθορισμού LIF, Διάγραμμα Jablonski Η θεμελιώδης ηλεκτρονική ενεργειακή στάθμη του μορίου, καθώς και η πρώτη και η δεύτερη ενεργειακή στάθμη του συμβολίζονται με S 0, S 1, S 2 αντίστοιχα. Σε αντίθεση με τα άτομα, στα μόρια κάθε ηλεκτρονική στάθμη χωρίζεται σε πολλές ταλαντωτικές στάθμες, που με τη σειρά τους μπορούν να χωριστούν περαιτέρω σε περιστροφικές στάθμες. Με Τ 1 συμβολίζεται η τριπλή (triplet) κατάσταση του μορίου, ενώ οι S 0, S 1, S 2 είναι μονήρεις (singlet) καταστάσεις.

Φασματοσκοπία του laser-επαγόμενου φθορισμού LIF για διάγνωση της τερηδόνας Φάσματα αυτοφθορισμού οδοντίνης, τα οποία είναι αποτέλεσμα διέγερσης με ακτινοβολία laser τριών διαφορετικών μηκών κύματος (337 nm, 488 nm, και 514 nm). Intensity of fluorescence (a.u) 1200 1000 800 600 400 200 dentin 0 350 400 450 500 550 wavelength, nm enamel Cementum C.E.J very few caries Intensity of fluorescence (a.u) 1200 1000 800 600 400 200 dentine enamel cementum C.E.J+few caries 0 500 550 600 650 700 wavelength, nm Intensity of fluorescence (a.u) 300 250 200 150 100 50 0 dentine cementum enamel CEJ+caries 550 600 650 700 wavelength, nm Intensity of fluorescence (a.u) 1200 1000 800 600 400 200 dentine dentine of pulp cavity dentine with caries 0 350 400 450 500 550 wavelength,nm Intensity of fluorescence (a.u) 1200 1000 800 600 400 200 0 dentin of pulp cavity dentin dentin with caries 500 550 600 650 700 wavelength, nm Intensity of fluorescence (a.u) 350 300 250 200 150 100 50 dentine dentine of pulp cavity dentine with caries 0 500 550 600 650 700 750 wavelength, nm

Φασματοσκοπία του laser-επαγόμενου φθορισμού LIF για διάγνωση της τερηδόνας 1600 1400 Excitation at 337 nm 900 800 D Excitation at 514 nm Intensity of fluorescence (a.u) 1200 E 1000 800 A 600 F 400 200 B 0 350 400 450 500 550 wavelength, nm intensity of fluorescence (a.u) 700 600 500 400 300 200 100 0 A B C G 500 550 600 650 700 750 wavelength,nm Intensity of fluorescence (a.u) 3000 2500 2000 1500 1000 500 G E Excitation at 488 nm B A F A: Enamel, B: Enamel above caries, C: caries at C.E.J., D: cementum +initial caries, E: cementum, F: cementum root, G: enamel, H: caries intensity of fluorescence (a.u) 100 80 60 40 20 F Excitation at 514 nm H B E 0 500 550 600 650 700 wavelength, nm 0 500 550 600 650 700 750 wavelength,nm

Φασματοσκοπία του laser-επαγόμενου φθορισμού LIF για διάγνωση της τερηδόνας Πιθανοί μηχανισμοί αλληλεπίδρασης της δέσμης laser με τον οδοντικό ιστό (a) Υψηλότερη σκέδαση στην περιοχή αλλοίωσης του οδοντικού ιστού σε σύγκριση με την ακέραια αδαμαντίνη. Η διαδρομή του φωτός είναι μικρότερη μέσα στον οδοντικό ιστό και συνεπώς η απορρόφηση και ο φθορισμός είναι μικρότερος. (b) Ο φθορισμός παράγεται κυρίως από την οδοντίνη που υποστηρίζει την αδαμαντίνη. (C) Τα χρωμοφόρα μόρια της αλλοίωσης δεν φθορίζουν σε αντίθεση με αυτά της αδαμαντίνης. (d) H τερηδόνα έχει απομακρύνει τα χρωμοφόρα μόρια που παράγουν φθορισμό. solid lines=blue excitation light, broken lines=yellow fluorescence Empty circles= fluorescing chromophores Full circles=absorbing non-fluorescing chromophores

Quantitative Light-induced Fluorescence Clinical application of QLF and DIAGNOdent two new methods for quantification of dental caries Sofia Tranæus, Thesis 2002 Detection and quantification of dental caries on smooth and occlusal surfaces

Οπτική Τομογραφία (Optical Coherence Tomography, OCT) Η οπτική τομογραφία δημιουργεί εικόνες της μικροδομής ενός ιστού σε τομές, σε συνθήκες in vivo και σε πραγματικό χρόνο. Καταγράφοντας την καθυστέρηση του χρόνου "ηχούς" του φωτός, το οποίο ανακλάται από εσωτερικές δομές του ιστού, μπορεί κανείς να δημιουργήσει τις αντίστοιχες εικόνες. Η τομογραφία παράγεται κατά τη σάρωση του ιστού από τη δέσμη φωτονίων και ενώ ο υπολογιστής καταγράφει τις αξονικές κατανομές ανάκλασης σε κάθε εγκάρσια θέση. Το αποτέλεσμα είναι μια δισδιάστατη απεικόνιση της οπτικής οπισθοσκέδασης μιας διατομής του ιστού στην κλίμακα του φαιού. Το ελάχιστο μέγεθος δομής που μπορεί να ανιχνευτεί με οπτική τομογραφία κατά μήκος είναι περίπου όσο προβλέπει το μήκος συμφωνίας της πηγής, Δz λ 2 /Δλ, όπου λ είναι το μήκος κύματος και Δλ το εύρος του.

Οπτική Τομογραφία (Optical Coherence Tomography, OCT) Καταγράφοντας την καθυστέρηση του χρόνου "ηχούς" του φωτός, το οποίο ανακλάται από εσωτερικές δομές του ιστού, μπορεί κανείς να δημιουργήσει τις αντίστοιχες εικόνες.

Βασική αρχή της οπτικής τομογραφίας H βασική αρχή της οπτικής τομογραφίας μπορεί να αποδοθεί περιληπτικά ως εξής: Ένας υπερβραχύς παλμός δέσμης laser κατευθύνεται σε ένα συμβολόμετρο Michelson και διαιρείται σε δύο μέρη. Το ένα τμήμα κατευθύνεται προς τον υπό εξέταση ιστό, το άλλο αποτελεί τη δέσμη αναφοράς. Το φως που ανακλάται άμεσα από τις διάφορες δομές του ιστού συνδυάζεται με τη δέσμη αναφοράς και συμβάλλει στον ανιχνευτή. Η ένταση του φωτός που φθάνει στον ανιχνευτή δίνεται από τη σχέση: Sensors (Basel). 2013 Jul; 13(7): 8928 8949 1 4 2 1 4 2 1 2 (, ) cos(2k l) όπου, είναι τα πεδία της δέσμης αναφοράς και αυτής του ιστούδείγματος αντίστοιχα, (, ) είναι η συσχέτιση (cross correlation) των πεδίων του δείγματος και της αναφοράς, k 0 =2π/λ 0 είναι το κυματάνυσμα και Δl είναι η σχετική διαφορά δρόμου μεταξύ των κλάδων αναφοράς και δείγματος. 0

Οπτική Τομογραφία (Optical coherence tomography, OCT) Imai K., et al., J. Endod. 2012;38:1269 1274 (E: enamel; D: dentine; DEJ: dentin-enamel junction) Images of a distinct enamel crack. (A) A visual examination of enamel crack. (B) A SS-OCT image along the red line in (A). The crack extended to the DEJ. (C) A CLSM image corresponding to the cross-sectioned enamel crack along the red line in (A). The crack ended up to the DEJ. (D) A SS-OCT image of a sample determined as a deep enamel crack transillumination. The crack was seen extending beyond the DEJ. (E) A CLSM image corresponding to the cross-sectioned enamel crack in (D). The crack penetrated deep into the dentin. (F) A SS-OCT image of a sample determined as a superficial enamel crack with transillumination. The crack had extended into the DEJ. (G) A CLSM image corresponding to the cross-sectioned enamel crack in (F). The crack had not extended into the DEJ.

Er:YAG laser Σχεδιάγραμμα της κεφαλής του laser Λειτουργία Er:YAG laser Q switching

Er:YAG laser Er:YAG laser είναι ένα laser στερεάς κατάστασης που εκπέμπει στα 2.940 μm. Το ενεργό υλικό του laser αποτελεί ένας κρύσταλλος ΥΑG με προσμίξεις Er +3 σε ποσοστό 50%. Το υψηλό ποσοστό των προσμίξεων είναι απαραίτητο για την υψηλή απόδοση της άντλησης και συνεπώς την ικανοποιητική απόδοση του laser. Η εκπομπή στο μήκος κύματος των 2,94 μm είναι αποτέλεσμα της μετάπτωσης των ιόντων Εr +3 μεταξύ των ενεργειακών καταστάσεων 4 Ι 11/2 και 4 Ι 13/2. Ενεργειακό διάγραμμα των μεταβάσεων του Εr +3 σε ΥΑG Cm -1 Σχήμα ενεργειακών επιπέδων του Er 3+ σε YAG και οι διεργασίες ακτινοβολητικών (συμπαγείς γραμμές), και ενεργειακών μεταβάσεων από και προς τα επίπεδα laser (διακεκομμένες γραμμές)

Nd:YAG laser Το laser Nd:YAG είναι ένα laser στερεάς κατάστασης. Το ενεργό μέσο του υλικού είναι συνήθως ένας κρύσταλλος Υ 3 Al 5 O 12 (Yttrium Aluminum Garnet, YAG) στον οποίο μερικά από τα ιόντα Υ 3+ έχουν αποκατασταθεί από Nd 3+. Η πιο ισχυρή γραμμή εκπομπής είναι στα λ=1,064 μm αποτέλεσμα της μετάπτωσης των ιόντων Nd 3+ μεταξύ των ενεργειακών καταστάσεων 4 F 3/2 4 I 11/2. Οι δύο κύριες ζώνες άντλησης παρουσιάζονται στα 0,73 και 0,8 μm. Αυτές οι ζώνες είναι συζευγμένες με μία γρήγορη μη ακτινοβολητική αποδιέγερση με το 4 F3 /2 επίπεδο, ενώ το χαμηλότερο επίπεδο 4 I 11/2 με μία γρήγορη μη ακτινοβολητική διαδικασία με το 4 Ι 9/2 βασικό επίπεδο. Το laser Nd:YAG δουλεύει σαν ένα σύστημα τεσσάρων επιπέδων, το οποίο μπορεί να λειτουργεί συνεχώς και παλμικά. Η αντιστροφή πληθυσμών επιτυγχάνεται μέσω οπτικής άντλησης.

Nd:YAG laser Το Nd:YAG laser μπορεί να λειτουργήσει με μετατροπή Q (Q switching) και με τη μέθοδο εγκλειδομένων ρυθμών (mode locking). P~MW, GW και t p ~ ns ή/και ps. Πρώτη αρμονική του Nd:YAG laser λ 1 =1,064 μm. Δεύτερης αρμονικής με μήκος κύματος εκπομπής λ 2 =532 nm (λ 2 = λ 1 /2, ω 2 = 2ω 1 ) επιτυγχάνεται με τη χρήση ηλεκτροοπτικών κρυστάλλων και στηρίζεται στο φαινόμενο της διπλοθλαστικότητας. Ενεργά υλικά κρυστάλλων: το φωσφορικό δυ-υδρογονούχο κάλλιο (KDP), το φωσφορικό δυ-δευτεριούχου κάλλιο (KD*P), το φωσφορικό δυ-υδρογονούχο αμμώνιο (ADP) κ.α. KTP laser

Διοδικά laser: Tύπος ημιαγωγού LASER το οποίο αποτελείται από ένα ημιαγωγό υλικό τύπου P και ένα τύπου Ν ενωμένα μαζί. Περιοχή διεπαφής τύπου PN που συνυπάρχουν ηλεκτρόνια και οπές Αντιστροφή πληθυσμού μέσω της εφαρμογής ορθής πόλωσης Τάση e - να κινηθούν από υψηλό σε χαμηλό δυναμικό Σύνδεση ενός e - από τη ζώνη αγωγιμότητας με μία οπή P από τη ζώνη σθένους Εκπομπή ακτινοβολίας laser Λειτουργία LED όταν δεν επιτευχθεί αντιστροφή πληθυσμού

Φωτοαποδόμηση σκληρών ιστών ένα παράδειγμα Irradiation of dentine with Q-switched Er:YAG laser.

Φωτοαποδόμηση σκληρών ιστών ένα παράδειγμα Irradiation of dentine, in root canal surface, with free-running Er:YAG laser 50 Ablation rate (μm/pulse) 40 30 20 10 Free-running Er:YAG Q-switched Er:YAG 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Fluence (J/cm 2 )

Hard tissue laser ablation SEM image (Er:YAG laser: 1ΗΖ, 60mJ, 5 pulses) Beam profile of the Er:YAG laser (1ΗΖ, 60mJ) Er:YAG laser CO 2 laser Laser CO 2 : 1 HZ, 56 mj, 50, 20 pulses 20 50 Beam profile of the CO 2 laser (1ΗΖ, 56mJ)

Φωτοαποδόμηση σκληρών ιστών ένα παράδειγμα Root dentin surface alteration by Q-switched Er:YAG laser ablation 3D beam profile at the output of the Q-switched Er:YAG laser. 2D beam profile at the output of the Q-switched Er:YAG laser. Root dentin surface alteration by Q-switched Er:YAG laser ablation

Αποδόμηση σκληρών οδοντικών ιστών ποσοτικές μετρήσεις Εξάρτηση του ρυθμού αποδόμησης της οδοντίνης από την πυκνότητα ενέργειας για το laser Er:YAG σε λειτουργία free laser. Καμπύλη του ρυθμού αποδόμησης για μετρήσεις στην εστία και εκτός εστίας της δέσμης σε ενυδατωμένο οδοντικό ιστό στην περιοχή της οδοντίνης. dentin 80 (α)εκτός εστίας d 1 (β)στην εστία d 2,d 3 Ρυθμός αποδόμησης (μm/pulse) 500 400 300 200 100 0 10 20 30 40 50 60 70 Πυκνότητα ενέργειας (J/cm 2 ) Ρυθμός αποδόμησης(μm/παλμό) 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Πυκνότητα ενέργειας (J/cm 2 )

«Compositional and morphological changes of human dentin after Er:YAG laser irradiation» Bor-Shiunn Lee, Yu-Lin Hung, Wan-Hong Lan* International Congress Series 1248 (2003) 143 152 (A) Photomicrograph of the dentin surface after Er:YAG laser irradiation of 500 mj/pulse-10 ps-10 s with water cooling. The group with water spray showed clean ablated surface and exposed dentinal tubules. (B) Without water cooling. In the group without water spray, it showed many melted globules.

Μορφολογία αποδόμησης σκληρών οδοντικών ιστών SEM image of free-running Er:YAG laser ablation crater on root dentine surface for t p =80 μs, E=70 mj/pulse, 40 pulses, pulse repetition rate frequency f =1 Hz. SEM image of Q-switched Er:YAG laser ablation crater on root dentine surface (t p =190 ns, E=25 mj/pulse, 50 pulses, f =1 Hz).

Μορφολογία αποδόμησης ένα παράδειγμα Εικόνα SEM από το εσωτερικό των κρατήρων αποδόμησης εσωτερικό των κρατήρων αποδόμησης για 10, 20 παλμούς αντίστοιχα, με τη χρήση του laser CO 2 στα 1ΗΖ και 56 mj. Μεγένθυση του κρατήρα αποδόμησης των 10 παλμών με τη χρήση του laser CO 2 στα 1ΗΖ και 56 mj (Χ 500). Μεγένθυση του κρατήρα αποδόμησης των 20 παλμών με τη χρήση του laser CO 2 στα 1ΗΖ και 56 mj (Χ 600) Παρατηρείται έντονη ρυτίδωση. Η επιφάνεια της οδοντίνης είναι αρκετά τραχεία. Κάποιοι οδοντικοί σωλήνες παραμένουν ανοικτοί ενώ κάποιοι έχουν επικαλυφθεί από οδοντικό επίχρισμα (ρινίσματα οδοντίνης, υπολείμματα πορφού, μικροοργανισμούς, πρωτεΐνες κ.α). Ρωγμές (cracks) γύρω από τους κρατήρες δεν παρατηρήθηκαν.

Μορφολογία αποδόμησης σκληρών οδοντικών ιστών SEM image of a free-running Er:YAG laser ablation crater on root dentine surface: λ=2.94 μm, tp=80 μs, E=70 mj/pulse, repetition rate=1 Hz, 20 pulses. SEM image of a crater with crack formation at the edges (Nd:YAG laser, λ=1064 nm, t p =100 ps, E=2.98 mj/pulse, repetition rate=10 Hz, 1650 pulses).

View of a conical-shaped crater with irregular edges (Nd:YAG laser, λ=1064 nm, 22 kv, 120). A detail from the sample shown in the left figure (Nd:YAG laser, λ=1064 nm, 22 kv, 1000). Small-grained dentine in the border of the crater with some dentine chips. (Nd:YAG laser, λ=1064 nm, 22kV, 3000). From: Picosecond Laser Ablation of Dentine in Endodontics, A.A. Serafetinides, M.G. Khabbaz, M.I. Makropoulou and A.K. Kar, Lasers Med Sci 1999, 14:168 174

Αποδόμηση σκληρών ιστών ένα παράδειγμα SEM micrographs of transversally sectioned dentine disks:b) typical profile of laser irradiated dentine at any power setting, showing a corrugated and wavy appearance; d) higher magnification of boxed area in b showing dentinal tubules opening at different planes and possibly the depletion of intertubular dentine after laser application. (Από: Effect of different power parameters of Er,Cr:YSGG laser on human dentine, P. Ekworapoj, S.K. Sidhu & J.F. McCabe, Lasers Med Sci (2007) 22:175 182) erbium, chromium: yattrium-scandium-gallium-garnet (Er,Cr:YSGG,)