Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Беликов Андрей Вячеславович
ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ТВЕРДЫЕ БИОТКАНИ
Специальность 01.04.05 - оптика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Санкт-Петербург - 2012
Работа выполнена на кафедре Лазерной техники и биомедицинской оптики ФГБОУВПО Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО)
Научный консультант: д.т. наук, профессор Храмов Валерий Юрьевич
Официальные оппоненты:
д. ф.-мат. наук, член-корреспондент РАН, Конов Виталий Иванович д. ф.-мат. наук, профессор Тучин Валерий Викторович д. т. наук, профессор Яковлев Евгений Борисович Ведущее предприятие: ФГУП Научно-Производственная Корпорация Государственный Оптический Институт имени С. И. Вавилова
Защита состоится 03 апреля 2012 г. в 15.50 на заседании диссертационного совета Д 212.227.02 при ФГБОУВПО Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО) по адресу 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, д.49. ауд.285.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУВПО СанктПетербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО).
Автореферат разослан л____ _____________ 2012 г.
Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес университета: 197101, СПб, Кронверкский пр., д. 49, секретарю диссертационного совета Д 212.227.02.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.д. ф.-мат. наук, профессор Козлов С.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы Лазеры с успехом используются в различных областях науки, техники и медицины. Созданные с привлечением лазерных источников биомедицинские технологии обработки мягких и твердых биотканей организма человека и животных отличают высокие селективность, прецизионность и эффективность.
Для обработки твердых биотканей широко используют лазерное излучение с субмиллисекундной длительностью импульса и длиной волны ( ), которая лежит в средней инфракрасной области оптического спектра. К таким лазерам можно отнести лазеры на кристаллах, активированных ионами неодима, гольмия или эрбия, работающие в режиме свободной генерации.
Взаимодействие излучения этих лазеров с твердыми биотканями сопровождается целым рядом оптико-физических процессов, из которых для эффективной деструкции наиболее важным является взрывной процесс удаления биоткани, который называют абляцией. Излучение лазеров на кристаллах, активированных ионами эрбия, (эрбиевых лазеров) наиболее эффективно поглощается структурами твердых биотканей и производит их абляцию при наименьших энергетических затратах. Наибольший практический интерес вызывает использование субмиллисекундных эрбиевых лазеров для обработки твердых тканей зуба человека и животных.
Однако скорость формирования полостей в твердых тканях зуба при их абляции излучением субмиллисекундных эрбиевых лазеров уступает скорости формирования полостей с помощью высокооборотной турбины.
Попытки форсирования энергии лазерного излучения приводят к образованию трещин вокруг обрабатываемой полости, что недопустимо, т.к.
они нарушают целостность окружающей место воздействия интактной биоткани и тем самым ослабляют ее функцию.
Таким образом, актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью создания новых эффективных методов лазерной обработки твердых биотканей, к которым относятся эмаль и дентин зуба человека.
К моменту начала настоящей работы (1994 г.) в литературе сведения о механизмах воздействия лазерного излучения на твердые биоткани были крайне противоречивы, отсутствовали теоретические модели лазерного воздействия, учитывающие особенности строения твердых биотканей. Также отсутствовали экспериментальные данные о порогах и эффективности лазерного удаления (абляции) твердых биотканей излучением YLF:Er ( =2.83 мкм) и YAG:Cr:Tm:Er ( =2.69 мкм) лазеров; об эффективности лазерного удаления твердых биотканей с и без внешнего водяного орошения, при контактном и неконтактном воздействии; о преобразованиях, природе и характеристиках оптико-физических процессов, протекающих в твердых биотканях при воздействии субмиллисекундных импульсов лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона спектра с плотностями энергии ниже порога лазерной абляции и оптико-физических процессов, сопровождающих лазерную абляцию твердых биотканей и т.п. Ясно, что без этой информации невозможно создание эффективных биомедицинских технологий для обработки твердых биотканей лазерным излучением.
Уже первые исследования показали, что процесс абляции твердых биотканей субмиллисекундными лазерными импульсами состоит из нескольких стадий: лазерное излучение поглощается биотканью, поглощенное излучение стимулирует нагрев и разрушение биоткани, продукты разрушения (абляции) покидают зону обработки. На каждой из стадий оптико-физические свойства биоткани изменяются. Результат лазерного воздействия зависит от того, насколько лазерная система адекватна этим изменениям. Регистрация оптико-физических процессов при лазерном воздействии на твердые биоткани, получение информации о состоянии биоткани, подвергшейся лазерному воздействию, создание алгоритмов обработки этой информации и введение в систему управления работой лазера обратных связей позволяет оптимизировать процесс воздействия лазерного излучения на твердые биоткани. Оптимизация лазерной абляции может включать в себя не только оптимизацию параметров лазерного излучения, но и оптимизацию процессов, вызванных этим излучением. Например, в результате лазерной абляции твердых биотканей образуются продукты разрушения в виде твердых микрочастиц, которые могут как снижать эффективность абляции, ослабляя лазерное излучение, так и не влиять на эффективность абляции при их своевременной эвакуации из зоны обработки или повышать эффективность абляции биоткани при их возвращении обратно в зону обработки.
Таким образом, создание новых методов эффективной лазерной обработки твердых биотканей невозможно без исследования оптикофизических процессов, происходящих при воздействии лазерного излучения на твердые биоткани, изучения лазерной абляции твердых биотканей, ее механизмов и оптико-физических процессов, происходящих при лазерной абляции этих биотканей.
Цель диссертационной работы Основной целью диссертационной работы является исследование оптико-физических процессов, происходящих при воздействии субмиллисекундных импульсов лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона оптического спектра на твердые биоткани, и создание на его основе новых методов их эффективной лазерной обработки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- разработать оптико-физическую модель воздействия лазерного излучения на эмаль зуба, учитывающую особенности ее строения;
- изучить закономерности абляции твердых тканей зуба излучением лазеров среднего инфракрасного диапазона оптического спектра;
- исследовать оптические спектры поглощения интактных и измененных в процессе лазерного воздействия или нагрева твердых тканей зуба;
- исследовать спектральные и энергетические характеристики свечения эрозионного факела и акустического сигнала, возникающих при лазерной абляции твердых тканей зуба;
- исследовать динамические процессы при воздействии лазерного излучения на твердые микрочастицы и оценить эффективность совместного воздействия лазерного излучения и твердых микрочастиц на твердые ткани зуба;
- изучить закономерности совместного воздействия лазерного излучения, водяного и воздушного потоков на твердые ткани зуба.
Методы исследований Для решения поставленных задач в работе были использованы как стандартные методы исследования процессов взаимодействия лазерного излучения с биотканями (оптическая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, рентгеноспектральный микрозондовый анализ), так и специально адаптированные для целей настоящей работы оптикофизические методы исследования, такие как оптическая и акустическая спектроскопия, цифровая фотосъемка с высоким временным разрешением, контактная термометрия, акустометрия, фотометрия, а также другие методы.
Научная новизна В настоящей работе впервые:
1. Разработана сотовая оптико-физическая модель воздействия лазерного излучения на эмаль зуба, учитывающая особенности строения эмали и позволившая определить структурные изменения, порог и эффективность абляции эмали зуба излучением эрбиевых лазеров.
2. Исследовано поведение пиков поглощения свободной и связанной воды в оптических спектрах поглощения эмали зуба при ее нагреве от +20оС до +700оС. Установлено, что коэффициент поглощения эмали в области длин волн от 2.5 мкм до 3.5 мкм с ростом температуры нелинейно уменьшается.
Показано, что данный оптико-физический процесс может оказывать существенное влияние на динамику воздействия излучения эрбиевых лазеров на твердые биоткани.
3. Установлено, что при воздействии на твердые ткани зуба человека излучения эрбиевого лазера образуются продукты лазерной абляции в виде микрочастиц с размером до 200 мкм, оптические спектры поглощения которых отличаются от оптических спектров поглощения интактных твердых тканей зуба человека тем, что в продуктах абляции наблюдается существенный рост поглощения оптического излучения, связанный с карбонизацией органической компоненты ткани, а также отсутствует пик поглощения ОН групп, что свидетельствует о разрушении этого типа связи в процессе абляции. Одновременное с лазерным воздействием орошение обрабатываемой твердой ткани потоком воды приводит к формированию продуктов лазерной абляции, оптические спектры поглощения которых не отличаются от оптических спектров поглощения интактных твердых тканей зуба человека.
4. Исследованы амплитудно-частотные характеристики эрозионного факела и акустического сигнала, возникающих при лазерной абляции твердых тканей зуба. Показано, что спектры этих сигналов несут информацию о типе обрабатываемой ткани и условиях ее абляции.
5. Обнаружено, что метаморфизированный слой, образующийся у стенки полости, сформированной в результате локальной абляции эмали зуба человека излучением эрбиевого лазера, состоит из внешнего и внутреннего подслоев, отличающихся по структуре и микротвердости, при этом микротвердость внутреннего подслоя примерно в три раза выше микротвердости интактной эмали, а микротвердость внешнего подслоя неравномерна по толщине и ниже микротвердости интактной эмали.
6. Установлено, что при одинаковой плотности энергии и длительности импульса субмиллисекундного эрбиевого лазера эффективности абляции твердой ткани зуба излучением одномодового лазера и многомодового лазера практически совпадают, импульс отдачи, возникающий при воздействии излучения одномодового лазера на эмаль, на порядок меньше чем импульс отдачи, возникающий при воздействии многомодового лазера, а аспектное соотношение отверстий, формируемых в твердых тканях зуба при воздействии излучения одномодового лазера, может в 20 раз превышать аспектное соотношение отверстий, формируемых в твердых тканях зуба при воздействии излучения многомодового лазера.
7. Установлено, что воздействие излучения субмиллисекундных эрбиевых лазеров на слой микрочастиц сапфира, размещенных в виде порошка или водной суспензии на поверхности эмали зуба, способно увеличить эффективность ее удаления до 2.5 раз.
8. Показано, что облучение эмали зуба человека импульсами YAG:Nd ( =1.064 мкм) или YAG:Cr;Tm;Ho ( =2.088 мкм) лазеров c плотностью энергии в импульсе из диапазона от 10 Дж/см2 до 200 Дж/см2, но ниже порога карбонизации на эмаль-дентинной границе зуба приводит к увеличению микротвердости эмали в 1.5 раза.
Защищаемые положения 1. Оптико-физическая модель воздействия лазерного излучения на эмаль зуба, в которой эмаль представлена в виде набора интегрированных друг в друга объемов (сот), содержащих гидроксилапатит и воду в характерном для интактной эмали соотношении 0.89:0.11, позволяет определить глубину метаморфизированного слоя, образующегося у стенки полости, сформированной в эмали под воздействием излучения эрбиевого лазера.
2. При воздействии излучения эрбиевого лазера на твердые ткани зуба формируются микрочастицы с размером до 200 мкм, обладающие кинетической энергией достаточной для разрушения эмали зуба.
Эффективность удаления эмали зуба под воздействием только этих микрочастиц соизмерима с эффективностью удаления эмали зуба под воздействием только падающего на эмаль излучения эрбиевого лазера.
3. Воздействие субмиллисекундных импульсов лазеров среднего инфракрасного диапазона спектра на порошок или водную суспензию, содержащие микрочастицы сапфира с размером до 200 мкм, приводит к ускорению микрочастиц сапфира до сверхзвуковых скоростей (до 600 м/c), а кинетическая энергия этих микрочастиц достаточна для разрушения твердых тканей зуба.
4. При воздействии субмиллисекундных импульсов лазеров среднего инфракрасного диапазона спектра на твердые ткани зуба синхронно с пичками лазерного излучения формируется эрозионный факел.
Интенсивность и оптический спектр свечения эрозионного факела, полученного при лазерной абляции эмали или дентина зуба, существенно различаются, что позволяет надежно идентифицировать обрабатываемую твердую биоткань.
5. Воздействие излучения эрбиевого лазера на твердые ткани зуба сопровождается акустическим сигналом, частота которого локализована в диапазоне 10150 кГц. Параметры акустического сигнала (интенсивность, время задержки возникновения по отношению к началу лазерного импульса, форма огибающей акустического спектра), полученного при лазерной абляции эмали или дентина зуба, существенно различаются, что позволяет надежно идентифицировать обрабатываемую твердую биоткань.
6. При строго определенном, согласованном во времени периодическом импульсном воздействии на твердую биоткань лазерного излучения, водяного и воздушного потоков эффективность удаления твердой биоткани субмиллисекундными импульсами эрбиевого лазера может быть увеличена практически в три раза по сравнению с эффективностью удаления при совместном воздействии на твердую биоткань только лазерного излучения и водяного потока.
7. Под воздействием одномодовых субмиллисекундных импульсов эрбиевого лазера в твердых тканях зуба формируют микроотверстия с диаметром порядка 100 мкм, аспектным соотношением в эмали порядка 7:1 и в дентине порядка 21:1 при отсутствии карбонизации.
Практическая ценность результатов работы 1. Разработан новый метод лазерной обработки твердых биотканей, сочетающий одновременное воздействие лазерного излучения и абразивных микрочастиц, приводящий к существенному увеличению эффективности удаления твердой биоткани (лазерно-абразивный метод).
2. Разработан новый метод лазерной обработки твердых биотканей, состоящий в согласованном во времени периодическом импульсном воздействии на твердую биоткань лазерного излучения, водяного и воздушного потоков, приводящий к существенному увеличению эффективности удаления твердой биоткани (метод трех импульсов).
3. Сформулирован алгоритм работы системы обратной связи, анализирующей параметры формируемого при лазерном воздействии на твердую ткань зуба человека акустического сигнала и адаптирующей параметры лазерного излучения под тип обрабатываемой биоткани, использование которого существенно повышает селективность и безопасность лазерной обработки твердых тканей зуба.
4. Показана возможность адаптивного управления параметрами лазерного излучения на базе анализа спектров свечения эрозионного факела, сопровождающего лазерную абляцию твердых биотканей, использование которого позволит существенно повысить селективность и безопасность лазерной обработки твердой биоткани.
5. Разработан новый метод обработки зуба человека лазерным излучением, состоящий в формировании на поверхности эмали зуба под воздействием лазерного излучения регулярных текстур, наличие которых повышает адгезионную способность поверхности эмали зуба.
6. Предложен новый метод управления свойствами эмали с помощью лазерного излучения, направленный на профилактику кариеса и состоящий в воздействии на эмаль зуба импульсного излучения YAG:Nd или YAG:Cr;Tm;Ho лазеров c плотностью энергии ниже порога карбонизации на эмаль-дентинной границе зуба.
Апробация результатов работы Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях: Международная конференция "Оптика лазеров" (Санкт-Петербург, Россия, 2000, 2010); International conference EuroBiOs Biomedical Optics'95 (Barcelona, Spain, 1995); International conference BiOs Biomedical Optics'95 (San Francisco, USA, 1995); VIII International Conference Laser Application Engineering, (Pushkin, Russia, 1996); 5th International Congress on Lasers in Dentistry (Jerusalem, Israel, 1996); Международная конференция "Лазеры в медицине'97, '99" (Санкт Петербург, Россия, 1997, 1999); International conference EuroBiOs Biomedical Optics'98 (Stockholm, Sweden, 1998); International conference BiOs Biomedical Optics'98 (San Jose, USA, 1998); Научная конференция УЛазеры для медицины, биологии и экологииФ (Санкт-Петербург, Россия, 1999); International conference BiOs Biomedical Optics'99 (San Jose, USA, 1999); Российская научно-практическая конференция УОптика и научное приборостроение - 2000Ф (Санкт-Петербург, Россия, 2000); IX International Conference Laser Assisted Microtechnology (LAM-2000) (Санкт-Петербург, Россия, 2000); International conference EuroBiOs Biomedical Optics'00 (Amsterdam, Netherlands, 2000);
Международная конференция Lasers, applications and technologies (LAT-2002, приглашенный доклад) (Moscow, Russia, 2002); 8th International Congress on Lasers in Dentistry (Yokogama, Japan, 2002); International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro and Nanotechnologies (FLAMN 2007, 2010)" (Pushkin, Russia, 2007, 2010); Международный симпозиум Topical Problems of Biophotonics (Нижний Новгород, Россия, 2007, 2011);
International Conference "IADR/AADR/CADR (Miami, USA, 2009); 16th Annual Conference of Academy of Laser Dentistry (Las Vegas, USA, 2009);
Международная конференция Saratov Fall Meeting (Саратов, Россия, 2003, 2007, 2009, 2010, 2011). Материалы трудов конференций опубликованы.
Результаты работы внедрены на предприятиях ЗАО УНП Лазерный Центр ИТМО (Россия), Laser Medical Systems GmbH (Австрия), Palomar Medical Technologies Inc. (США) и Dental Photonics Inc. (США).
Результаты работы внедрены в учебный процесс СПбГУ ИТМО (Россия) при подготовке магистров, бакалавров и специалистов по программе 200200.Лазерные биомедицинские технологии, а также специалистов по специальности 200201.65 Лазерная техника и лазерные технологии.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 53 работы, из них 25 работ в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК:
Оптический журнал, Оптика и спектроскопия, ЖТФ, Письма в ЖТФ, Стоматология, Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики и др., а также публикации в зарубежных изданиях, включенных в систему цитирования Web of Science: Lasers in Surgery and Medicine (ISSN 0196-8092), 3 из этих работ подготовлены и опубликованы без соавторов. работ опубликовано в журнале Proceedings of SPIE, входящем в системы цитирования SCOPUS и Chemical Abstracts. Получено 12 патентов, в том числе 10 международных.
ичный вклад автора.
Диссертация написана А.В.Беликовым лично. Все изложенные в диссертации результаты получены автором лично или при его непосредственном участии.
Автор осуществлял выбор направлений и постановку задач исследований, проведение расчетов, разработку и создание экспериментальных установок, проведение экспериментов и анализ полученных результатов исследований.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 211 ссылок, из них 42 ссылки на работы автора. Работа изложена на 344 страницах, содержит 123 рисунка и 10 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обсуждается объект исследования и актуальность работы, сформулированы цели, задачи, научная новизна полученных результатов и защищаемые положения, а также дана краткая аннотация содержания отдельных глав.
В первой главе проанализированы основные закономерности лазерной абляции твердых биотканей. Основное внимание уделено абляции твердых тканей зуба человека. В первом параграфе рассмотрено строение и основные оптико-физические свойства эмали и дентина зуба. Во втором параграфе представлены результаты основных экспериментальных и теоретических исследований лазерной абляции твердых тканей зуба, опубликованные в современной научно-технической литературе. Обоснован выбор эрбиевых лазеров для эффективной абляции твердых тканей зуба. Описываются современные представления о процессах, сопровождающих лазерную абляцию твердых тканей зуба. В последующих параграфах представлены результаты оригинальных исследований лазерной абляции твердых тканей зуба человека, выполненных автором настоящей диссертационной работы.
Сообщается о результатах оптоакустического измерения порога абляции твердых тканей зуба TEMmm излучением субмиллисекундных YAG:Cr:Tm:Er ( =2.69 мкм), YSGG:Cr:Er ( =2.79 мкм), YLF:Er ( =2.83 мкм) и YAG:Er ( =2.94 мкм) лазеров. Наименьший порог был зарегистрирован для YLF:Er лазера. Порог разрушения эмали был примерно в два раза выше порога разрушения дентина. Отмечается, что эти результаты могут быть репрезентативны только для первого, воздействующего на поверхность биоткани лазерного импульса, в дальнейшем картина разрушения может существенно измениться вследствие модификации структуры приповерхностного слоя.
Измерена эффективность удаления эмали и дентина зуба человека излучением TEMmm YAG:Er лазера субмиллисекундной длительности.
Показано, что эффективность удаления зависит от плотности энергии лазерного излучения и возрастает с ее увеличением. Эффективность удаления эмали и дентина в ряде случаев возрастает при использовании внешнего водяного орошения. Например, эффективность удаления эмали в неконтактном режиме без водяного орошения при 100 Дж/см2 составляет 585 мм3/кДж, а эффективность удаления эмали в неконтактном режиме с водяным орошением при 100 Дж/см2 составляет 655 мм3/кДж.
Эффективность удаления эмали в контактном режиме без водяного орошения при 100 Дж/см2 составляет 755 мм3/кДж. Эффективность удаления эмали в контактном режиме с водяным орошением при 100 Дж/см2 составляет 855 мм3/кДж. Эффективность удаления дентина в неконтактном режиме без водяного орошения при 100 Дж/см2 составляет 1105 мм3/кДж, а эффективность удаления дентина в неконтактном режиме с водяным орошением при 100 Дж/см2 составляет те же 1105 мм3/кДж. Эффективность удаления дентина в контактном режиме без водяного орошения при 100 Дж/см2 составляет 1205 мм3/кДж. Эффективность удаления дентина в контактном режиме с водяным орошением при 100 Дж/см2 составляет 1355 мм3/кДж. Установлено, что в контактном режиме лазерной обработки без водяного охлаждения эффективность удаления для эмали в области плотностей энергий до 100 Дж/см2 практически в 1.5 раза выше, чем в неконтактном, а в области плотностей энергий 100150 Дж/см2 практически в 1.3 раза. В контактном режиме лазерной обработки без водяного охлаждения эффективность удаления дентина в области плотностей энергий до 100 Дж/см2 эффективность удаления в контактном режиме в 1.2 раза выше, чем в неконтактном, а в области плотностей энергий 100150 Дж/смпрактически не отличается от неконтактного. В контактном режиме лазерной обработки с водяным охлаждением эффективность удаления для эмали в области плотностей энергий до 50 Дж/см2 практически в 1.2 раза выше, чем в неконтактном, а в области плотностей энергии 50150 Дж/см2 - в 1.3 раза. В контактном режиме лазерной обработки с водяным охлаждением эффективность удаления для дентина в области плотностей энергий до 50 Дж/см2 практически в 1.1 раза выше, чем в неконтактном, а в области плотностей энергии 50150 Дж/см2 - в 1.2 раза.
При повторяющемся воздействии в одну точку образца TEMmm импульсов YAG:Er лазера эффективность удаления твердых тканей зуба уменьшается, при этом в контактном режиме эффективность удаления уменьшается быстрее, чем в неконтактном.
Впервые экспериментально измерена эффективность удаления эмали и дентина зуба человека одиночным пичком TEM00 YAG:Er лазера и последовательностью из пичков TEM00 YAG:Er лазера, следующих друг за другом с интервалом 35 мкс, общей длительностью порядка 150 мкс, при плотности энергии 100 Дж/см2. Эффективность удаления эмали одиночным пичком YAG:Er лазера составила величину 20 2 мм3/кДж, эффективность удаления дентина - 602 мм3/кДж. Эффективность удаления эмали последовательностью пичков TEM00 YAG:Er лазера составила величину 402 мм3/кДж, эффективность удаления дентина - 702 мм3/кДж. При обработке эмали и дентина зуба человека следующими друг за другом с частотой 1 Гц одиночными пичками TEM00 YAG:Er лазера карбонизация не наблюдается. В эмали формируются микроотверстия с аспектным соотношением порядка 7:1, в дентине - порядка 21:1.
Отмечается, что максимальные значения эффективности удаления эмали в неконтактном режиме излучением одномодового и многомодового YAG: Er лазеров достаточно близки друг к другу.
Показано, что существует оптимальное отношение расстояния между центрами микрократеров к их диаметру (k). В диапазоне значений 0 k эмаль полностью удаляется за счет только лазерного воздействия, при значении k = 1 рост эффективности связан с самопроизвольным (без внешнего усилия) удалением материала между микрократерами. Для 1 < k < 2.6 рост эффективности связан с возможностью удаления материала между микрократерами под действием внешнего усилия, создаваемого стандартным стоматологическим зондом. Для 1.5 k 2.3 за счет вышеописанного воздействия можно повысить эффективность удаления эмали практически в 2.5 раза по сравнению с эффективностью только лазерного воздействия. Для k 2.6 внешнее механическое воздействие перестает оказывать влияние на эффективность процесса удаления эмали зуба.
Исследовано влияние толщины водяной пленки, создаваемой внешней системой орошения на поверхности зуба, на эффективность удаления твердых тканей зуба человека излучением YAG:Er лазера. Обнаружено, что зависимость эффективности удаления твердой ткани зуба излучением YAG:Er лазера от толщины водяной пленки, формируемой внешним источником, на поверхности зуба имеет максимум. Для эмали данный максимум наблюдается при значениях толщины водяной пленки hФопт порядка 50 мкм, а для дентина - порядка 10 мкм.
Вторая глава диссертации посвящена анализу механизмов и теории абляции твердых биотканей излучением субмиллисекундных эрбиевых лазеров. Предложено процесс лазерной обработки твердых тканей зуба разбить на четыре стадии.
Представлены результаты исследования метаморфизированного слоя, образующегося после воздействия субмиллисекундного импульса эрбиевого лазера на эмаль зуба человека. Обнаружено, что метаморфизированный слой состоит из двух подслоев. Первый подслой представляет собой пористую структуру. Исследования на сканирующем электронном микроскопе показали, что структурно этот подслой состоит из микроэлементов (МЭ), их агрегатов (А) и свободного пространства между ними - микропор (МП).
Микроэлемент имеет характерный размер 0.1 мкм. Микроэлементы образуют агрегаты, средний размер которых достигает 13мкм. Размер микропор сопоставим с размером агрегатов. Толщина первого подслоя непостоянна вдоль стенки лазерной полости и изменяется от 1 мкм до 10 мкм. Измерен Са/Р коэффициент в первом подслое. Измерения проведены с помощью энергодисперсионного спектрометра, имеющего модуль для рентгеноспектрального микрозондового анализа. Площадь анализируемых участков составляла величину порядка 2030 мкм2. Расчёт состава фаз проводился кислородным методом на 25 атомов кислорода. Было получено, что средний по 10 измерениям в 10 различных точках интактной эмали и метаморфизированного слоя Са/Р коэффициент одинаков и равен 1,670.01, данное значение характерно для гидроксилапатита. Структура второго подслоя близка к структуре интактной эмали, однако микротвердость в нем достигает 1070 кгс/мм2, что практически в три раза выше микротвердости интактной эмали. Толщина второго подслоя составляет величину порядка 200 мкм.
В эксперименте определена температура, при достижении которой происходит разрушение эмали зуба человека, ее величина составила +1500оС.
Описана теоретическая модель лазерного разрушения твердых тканей зуба с использованием полуфеноменологического подхода на основе решения квазистационарной одномерной линейной задачи Стефана с использованием в качестве скрытой теплоты испарения данных о скрытой теплоте разрушения. Математическое моделирование в рамках данной модели позволило сравнить между собой поля температур, формируемых в твердых тканях зуба излучением с различным поглощением и с различной плотностью мощности, и выбрать наиболее эффективно нагревающий твердые ткани зуба лазерный источник.
Впервые предложена сотовая оптико-физическая модель абляции эмали зуба человека, учитывающая особенности ее строения.
При моделировании исходили из того, что вода в эмали находится в окруженных гидроксилапатитом порах. Расстояние между центрами пор соответствует характерному размеру эмалевой призмы. Структурным элементом (ячейкой) такой модели эмали является сота - куб из гидроксилапатита со стороной a, содержащий внутри себя куб из воды со стороной m, занимающий по объему 11 % от объема куба из гидроксилапатита (рис.1.).
а) б) Рис. 1. Модель эмали (а) и модель структурной единицы (ячейки) эмали (б) зуба человека.
Под воздействием лазерного излучения вода внутри ячейки нагревается, расширяется, давит на гидроксилапатит ячейки и разрушает его.
В результате частичного разрушения ячейки образуется метаморфизированный слой, а в результате полного разрушения ячейки формируется кратер. С использованием настоящей модели определены значения сил FHA и FHA, при которых происходит разрушение гидроксиапатита, окружающего воду под действием, соответственно, касательных и нормальных напряжений. Определены энергии излучения YAG:Er лазера необходимые для достижения FHA. Представлены результаты оценки глубины метаморфизированного слоя, образующегося при абляции эмали зуба излучением эрбиевого лазера. Рассчитаны пороги и эффективности лазерной абляции эмали излучением YAG:Er лазера.
Третья глава диссертации посвящена описанию оптико-физических эффектов, сопровождающих лазерную абляцию твердых тканей зуба.
Исследованы оптические спектры поглощения интактных эмали и дентина зуба человека в области длин волн 0.2610 мкм. Показано, что спектральных особенностей в видимой области для эмали и дентина не наблюдается. В ближней ИК области существуют две полосы поглощения.
Полосу с максимумом 1.57 мкм (волновое число 6369 см ) можно отнести к обертону валентного колебания воды, присутствующей как в эмали, так и в дентине. Поглощение в этой области для дентина больше, чем для эмали, что связано с большим содержанием воды в этой биоткани. В области 2 мкм дентин имеет две полосы поглощения, а эмаль - одну. Полоса с максимумом порядка 2.1 мкм (волновое число 4762 см ) принадлежит обертону колебания РО групп гидроксиапатита, который является основным веществом как эмали, так и дентина. Полоса с максимумом на 1.96 мкм (волновое число 5100 см ) в дентине, по видимому, соответствует поглощению воды, содержание которой в дентине существенно выше, чем в эмали. Наибольшее различие в спектрах поглощения эмали и дентина для диапазона 0.262.5 мкм наблюдается в УФ области. Здесь поглощение определяется белковыми соединениями, присутствующими в биотканях.
Спектры поглощения эмали и дентина имеют в этой области один общий максимум на длине волны 0.269 мкм. Спектр поглощения эмали имеет также максимум на длине волны 0.331 мкм, что, вероятно, отвечает поглощению белков эмали, которые в дентине отсутствует. В области 510 мкм спектры поглощения эмали и дентина подобны. Здесь поглощение определяется РО группами гидроксиапатита и составляет на длине волны 9.6 мкм 1 (волновое число 1042 см ) величину порядка 3400 см. Поглощение на длине волны близкой к 4.1 мкм (волновое число 2439 см ) относится к атмосферному СО2 и не принадлежит тканям зуба. В области длины волны 3.5 мкм в спектре поглощения дентина наблюдаются полосы, соответствующие органическим соединениям. В спектре эмали они менее выражены, что объясняется высокой степенью минерализации этого типа биоткани. Наиболее существенное различие в ИК спектрах поглощения интактных эмали и дентина наблюдается в области 2.53.5 мкм, здесь поглощают вода и ОН группы. В спектре поглощения эмали в этой области наблюдаются два максимума. Первый - на длине волны порядка 3.106 мкм (3219 см ) - соответствует воде и имеет коэффициент поглощения =1100 см. Второй максимум наблюдается на длине волны 2.8 мкм 1 (3570 см ), имеет =850 см и принадлежит ОН группам. Максимальное поглощение в области 2.53.5 мкм для дентина близко к 1950 см. На длине волны генерации YAG:Er лазера (2.94 мкм, волновое число 3400 см ) для эмали получен =970 см.
Исследованы спектры поглощения продуктов разрушения (компонент эрозионного факела) эмали и дентина зуба человека излучением YSGG:Cr:Er лазера (длина волны генерации 2.79 мкм) в области длин волн 2.55 мкм.
азерное разрушение осуществлялось с и без внешнего водяного орошения.
В области длины волны 3.5 мкм при лазерной обработке эмали без водяного орошения наблюдается существенный рост поглощения, связанный с карбонизацией органики при лазерном воздействии. Этот эффект более ярко выражен в дентине. В области длины волны 3 мкм в спектре поглощения эмали отсутствует пик поглощения ОН групп, что свидетельствует о разрушении этого типа связи в процессе лазерного воздействия без водяного орошения. Возможно, селективное разрушение именно ОН связей излучением YSGG:Cr:Er лазера приводит к разрушению кристалла гидроксилапатита и, как следствие, эмали в целом. Вид спектра поглощения продуктов лазерного разрушения эмали, полученных с использованием водяного орошения, подобен спектру поглощения интактной эмали. В спектре поглощения продуктов лазерного разрушения дентина, полученных при водяном орошении, проявляется пик поглощения ОН групп, чего не наблюдается в продуктах разрушения, полученных без орошения. Эти факты свидетельствуют о возможности принципиально иного, чем в случае обработки без водяного орошения, механизме лазерного разрушения зубной ткани.
Впервые исследованы спектры поглощения интактной эмали зуба человека в области длин волн 2.53.5 мкм при её нагреве от +20оС до +700оС.
Результаты исследования представлены на рис.2.
Рис. 2. Спектры поглощения эмали зуба человека в области длин волн 2.53.5 мкм, полученные при её нагреве от +20оС до +700 С.
Видно, что в этом диапазоне температур происходит уменьшение коэффициента поглощения в полосе с максимумом порядка 3 мкм. Это свидетельствует о сокращении содержания свободной и связанной воды в материале эмали. Достаточно интенсивно этот процесс протекает в районе +100 С, где происходит испарение свободной воды, которая находится на поверхности образца и в порах большого размера. При температуре +100 С наблюдается полоса, соответствующая ориентации ОН связи (волновое число 3543 см, длина волны 2.82 мкм) в гидроксиапатите. В диапазоне температур от +100 С до +300 С огибающая спектра поглощения эмали в исследуемой области значительно изменяется. Видимо, в этом диапазоне происходит удаление адсорбированной в объёме в процессе роста зуба воды.
Также происходит полное проявление структуры ОН связи в эмали зуба, т.е.
проявляются полосы, характерные для (волновое число 3570 см, длина волны 2.8 мкм) и ориентации ОН связи в гидроксиапатите. Далее при повышении температуры с +300 С до +500 С наблюдается разрушение ориентированной ОН связи. С повышением температуры до +700 С происходит практически полное разрушение ОН связи в гидроксиапатите эмали. Таким образом, установлено, что при нагреве эмали происходит сначала удаление воды в любой её форме, а затем разрушение ОН групп гидроксиапатита. Коэффициент поглощения нелинейно уменьшается с ростом температуры. При комнатной температуре наибольшее поглощение эмалью наблюдается для излучения YAG:Er лазера. С увеличением температуры коэффициент поглощения для всех исследованных в работе эрбиевых лазеров уменьшается. При +100оС наибольший коэффициент поглощения наблюдается для излучения YSGG:Cr:Er лазера. Данная ситуация сохраняется вплоть до температуры +700оС, при которой коэффициенты поглощения для всех лазеров становятся очень близкими.
Очевидно, что лазерное воздействие вызывает нагрев биоткани и коэффициент поглощения биоткани в процессе этого воздействия может изменяться, что в свою очередь может оказать существенное влияние на динамику воздействия излучения эрбиевых лазеров на твердые биоткани.
Установлено, что при обработке эмали субмиллисекундными импульсами YAG:Nd или YAG:Cr;Tm;Ho лазеров эффектом с самым низким порогом является эффект карбонизации на эмаль-дентинной границе.
Пороговая плотность энергии, ниже которой карбонизация дентина на границе эмаль-дентин отсутствует, при воздействии лазерного излучения с частотой следования лазерных импульсов 10 Гц и общей продолжительности воздействия 200 с, для YAG:Nd лазера составляет величину порядка 30 Дж/cм2, для YAG:Cr;Tm;Ho - 10 Дж/cм2.
Облучение эмали импульсами YAG:Nd или YAG:Cr;Tm;Ho лазеров приводит к увеличению микротвердости практически в 1.5 и 1.3 раза соответственно. Для обоих типов лазеров наибольшее значение микротвердости поверхности эмали наблюдается в центре облученной области. При одинаковых плотностях энергии (40 Дж/см2) и экспозициях (60 Дж) микротвердость эмали после воздействия излучения YAG:Nd лазера в среднем на 30 % превышает микротвердость эмали после воздействия излучения YAG:Cr;Tm;Ho лазера. Микротвердость имеет экстремум на расстоянии от поверхности эмали порядка 100200 мкм для обоих типов лазеров. Эффект увеличения микротвердости носит пороговый характер Для излучения YAG:Nd лазера величина этого порога составляет величину порядка 30 Дж/см2, для YAG:Cr;Tm;Ho лазера 10 Дж/см2. Область плотностей энергии, в которой микротвердость выше микротвердости интактной эмали для YAG:Nd лазера 30200 Дж/см2, для YAG:Cr;Tm;Ho 10100 Дж/см2. Эффект увеличения микротвердости зависит от энергетической экспозиции. Зависимость отношения микротвердости поверхности эмали после лазерной обработки к микротвердости интактной эмали имеет максимум в области экспозиций порядка 100 Дж для обоих типов лазеров.
Исследования кислотной резистентности эмали зуба человека, обработанной излучением YAG:Nd или YAG:Cr;Tm;Ho лазеров, показали, что характер поведения кислотной резистентности в зависимости от плотности энергии и экспозиции лазерного излучения коррелирует с поведением микротвердости в аналогичных зависимостях.
В работе проведено сравнительное исследование свечения эрозионного факела, возникающего при разрушении эмали и дентина зуба человека излучением YAG:Nd, YAG:Cr;Tm;Ho или YAG:Er лазеров. При фиксированной энергии лазерного импульса интенсивность свечения факела, возникающего под воздействием YAG:Nd лазера, существенно превышает энергию свечения факела, индуцированного YAG:Cr;Tm;Ho или YAG:Er лазерами. Экспериментальный анализ динамики свечения эрозионного факела показал, что удаление материала происходит синхронно с пичками излучения свободной генерации. Исследованы спектры свечения эрозионного факела, вызванного излучением неодимового, гольмиевого и эрбиевого лазеров. Воздействие излучения YAG:Er лазера вызывает свечение с максимумом в области 600 нм. При разрушении эмали в спектре свечения дополнительно возникает полоса с максимумом около 400 нм. По всей видимости, присутствие линий в области 600нм имеет хемолюминесцентный источник, вызываемый горением продуктов разрушения. Максимум полосы можно идентифицировать с Р+ (638 нм) и P2+ (571 нм). Спектральные линии в диапазоне 400 нм - C2+ (460 нм), Ca+ (445 нм), Ca3+ (427 нм) и Ca2+ (393 нм).
Спектр свечения эрозионного факела существенно зависит от длины волны лазерного излучения и от типа биоткани. Обнаружен эффект, проявляющийся в увеличении энергии свечения эрозионного факела (в диапазоне длин волн 0.351.7 мкм) с ростом количества лазерных импульсов, воздействующих в одну точку образца. Экспериментально установлено, что интенсивность свечения эрозионного факела пропорциональна энергии лазерного излучения (YAG:Nd) и тем больше чем выше плотность энергии лазерного излучения.
В работе экспериментально исследован импульс отдачи, возникающий при воздействии излучения YAG:Er лазера на эмаль зуба человека.
Установлено, что при одинаковой плотности энергии (100 Дж/см2) импульс отдачи, формируемый при воздействии излучения TEM00 лазера с энергией импульса 30 мДж на эмаль, на порядок меньше, чем импульс, формируемый при воздействии TEMmm лазера с энергией импульса 300 мДж. Необходимо отметить, что эффективность удаления (абляции) эмали излучением обоих типов лазеров по результатам измерений была практически одинаковой.
Исследованы лазериндуцированные акустические сигналы, сопровождающие лазерную обработку эмали и дентина зуба человека. В результате Фурье-преобразования акустического сигнала получался его акустический спектр (Фурье-спектр). Частоты лазериндуцированных акустических сигналов от эмали и дентина локализованы в области 10150 кГц. Наибольшие отличия в Фурье-спектрах акустических сигналов, возникающих при обработке эмали и дентина зуба человека излучением YSGG:Cr;Er лазера, наблюдаются в диапазоне 50150 кГц (рис.3).
а) б) Рис. 3. Фурье-спектр акустического сигнала, возникающего при обработке эмали (а) и дентина (б) зуба человека импульсом YSGG:Cr;Er лазера (без внешнего водяного орошения).
Так, если для эмали и дентина энергии низкочастотных компонент (0.00150 кГц) лазериндуцированных акустических сигналов практически совпадают, то в высокочастотной области (50150 кГц) энергии лазериндуцированных акустических сигналов могут различаться на порядок.
Акустическая волна возникает с некоторой задержкой относительно начала лазерного воздействия. Время задержки при обработке излучением YAG:Er лазера для эмали (40 мкс) больше чем для дентина (30 мкс). При обработке излучением YAG:Cr,Tm,Ho лазера для эмали время задержки (100 мкс) больше чем для дентина (45 мкс). Показано, что анализ параметров акустического сигнала при обработке тканей зуба субмиллисекундными импульсами лазеров среднего ИК диапазона позволяет: определить порог лазерного разрушения эмали и дентина; определить тип и состояние обрабатываемой лазером биоткани. Акустический сигнал, возникающий при обработке окрашенного дентина, имеет два частотных максимума в области 1 кГц и 15 кГц, в случае интактного дентина частотные максимумы соответствуют 2.5 кГц и 10 кГц, в случае кариозного дентина максимумы акустического сигнала соответствуют 2.5 кГц, 4 кГц, 8 кГц и 15 кГц.
Параметры лазериндуцированного акустического сигнала зависят от плотности энергии лазерного излучения. Интенсивность акустического сигнала с ростом плотности энергии лазерного излучения возрастает нелинейно. Интенсивность акустического сигнала от дентина превышает интенсивность акустического сигнала от эмали. Внешнее водяное охлаждение приводит к увеличению интенсивности акустического сигнала.
Параметры лазериндуцированного акустического сигнала зависят от количества лазерных импульсов, воздействующих в одну и ту же точку на поверхности обрабатываемой биоткани. С ростом количества лазерных импульсов интенсивность акустического сигнала от неорошаемых водой эмали и дентина линейно уменьшается. Это может быть связано с экранированием акустического сигнала стенками увеличивающейся при воздействии каждого последующего лазерного импульса полости или с ростом диаметра источника звука. Картина резко изменяется в присутствии внешнего водяного орошения. В этом случае рост количества лазерных импульсов, воздействующих в одну точку образца, приводит к нелинейному возрастанию энергии акустического сигнала. Лазериндуцированные акустические сигналы, возникающие при контактной и неконтактной обработке твердых тканей зуба излучением эрбиевых лазеров, существенно различаются друг от друга. В акустическом сигнале, регистрируемом при контактном режиме обработки, наблюдается ярко выраженная отрицательная полуволна, что говорит о наличии значительных деформаций в области взаимодействия, связанных с перемещениями массивных тел (по всей видимости - кинематической пары зуб/оптическое волокно). Анализ Фурьеспектров этих акустических сигналов подтверждает наличие в лазерноиндуцированном акустическом сигнале, регистрируемом при контактном режиме обработки, ярко выраженной низкочастотной компоненты (в области 10 кГц). Анализ энергии акустического сигнала показал, что для контактного режима обработки она существенно выше. Высокочастотные осцилляции (в области 100 кГц), присутствующие в сигналах как при неконтактном, так и контактном режимах обработки, характеризуют процессы выноса мелких фракций разрушенного материала.
В четвертой главе основное внимание уделено описанию оригинальных лазерных технологий, разработанных на основе исследований, выполненных автором настоящей диссертационной работы.
Описан новый метод (технология) лазерной обработки твердых биотканей, который позволяет увеличить скорость ее удаления - лазерноабразивный метод. Основная идея метода заключается в использовании для удаления биотканей совместно с лазерным излучением твердых микрочастиц, ускоренных лазерным излучением. Рассмотрены механизмы ускорения микрочастиц лазерным излучением. Наиболее вероятны абляционный и связанный с микровзрывом материала микрочастицы механизмы ускорения твердых микрочастиц лазерным излучением.
Предложена феноменологическая модель разрушения композитных материалов (в том числе и твердых биотканей) потоком абразивных микрочастиц.
Представлены результаты изучения закономерностей ускорения сапфировых микрочастиц, находящихся в порошке или в суспензии, излучением YAG:Er или YAG:Nd лазеров. Создана методика и экспериментальная установка для измерения скорости ускоряемых лазерным излучением микрочастиц. Экспериментально показано, что средняя скорость движения микрочастиц, ускоряемых излучением YAG:Er лазера, зависит от диаметра (характерного размера) микрочастиц. Для микрочастиц диаметром 12 мкм, ускоряемых из порошка, и энергии лазерного импульса 0.6 Дж средняя скорость движения микрочастиц составила величину порядка 450 м/с, а для микрочастиц диаметром 160 мкм - 210 м/с. Максимальные скорости и самые низкие пороги начала движения (перемещения) достигаются при облучении микрочастиц, находящихся в водной суспензии.
Для микрочастиц диаметром 12 мкм, ускоряемых из водной суспензии, средняя скорость движения микрочастиц достигала величины порядка 600 м/с. С увеличением диаметра микрочастицы средняя скорость ее движения падает. Кинетическая энергия микрочастицы, которая пропорциональна ее объему и квадрату скорости, может при этом возрастать.
Пороговое значение плотности энергии, необходимое для ускорения микрочастицы, зависит от длины волны, толщины слоя порошка или суспензии, от размеров микрочастиц. Скорость движения микрочастицы возрастает с ростом энергии и плотности энергии лазерного излучения.
Скорость движения микрочастицы снижается по мере удаления от области взаимодействия.
Измерена эффективность удаления эмали и дентина зуба человека при совместном воздействии YAG:Er или YAG:Nd лазерного излучения и ускоряемых этим излучением сапфировых микрочастиц. Эффективность удаления эмали зависит от размера сапфировых микрочастиц. Эта зависимость имеет экстремум. Наиболее эффективны сапфировые микрочастицы с характерным размером до 40 мкм. Эффективность удаления эмали зависит от концентрации сапфировых микрочастиц в водной суспензии. Эта зависимость также имеет экстремум. Наиболее эффективны объемные концентрации микрочастицы/вода близкие к 1:10. При обработке эмали зуба человека субмиллисекундным импульсом YAG:Er лазера c плотностью энергии 150 Дж/см2 одновременная подача в зону обработки водной суспензии сапфировых микрочастиц диаметром 27 мкм в объемном соотношении микрочастицы/вода равном 1:10 приводит к увеличению эффективности удаления эмали, практически в 2.5 раза по сравнению с эффективностью удаления эмали при подаче в зону обработки только воды.
В экспериментах обнаружено, что при воздействии излучения YAG:Er лазера на эмаль образуются твердые микрочастицы, средний размер которых соответствует 1520 мкм, а максимальный размер достигает 200 мкм. Эти микрочастицы способны разрушать интактную эмаль. В эксперименте доказано, что эффективность удаления эмали под действием только микрочастиц, сформированных при разрушении эмали импульсами YAG:Er лазера, равна эффективности удаления эмали под действием только лазерного излучения.
Описана лазерная технология обработки твердых тканей зуба, предполагающая периодическую эффективную очистку лазерного кратера от продуктов лазерного разрушения или метод трех импульсов (МТИ).
Отмечено, что эффективность удаления (абляции) твердой ткани зуба уменьшается с ростом глубины формируемого кратера, а немаловажным эффектом, который существенно влияет на ослабление эффективности удаления, является эффект накопления продуктов лазерного разрушения на дне лазерного кратера. В экспериментах показано, что слой продуктов лазерного разрушения толщиной порядка 200 мкм уменьшает эффективность удаления твердой зубной ткани на 2030%. Впервые для обработки твердых тканей зуба предложен метод трех импульсов (МТИ). Название МТИ подразумевает импульсную подачу в зону обработки трех субстанций (воды, воздуха и лазерного излучения) в определенной последовательности. МТИ включает пять стадий. На первой стадии оптическая насадка, по которой излучение лазера подается в зону обработки, приводится в плотный контакт с биотканью. На второй стадии лазерное излучение воздействует на биоткань, происходит лазерная абляция биоткани. При этом формируется кратер и образуются продуктов разрушения, которые оседают на дне кратера. Сразу после лазерного импульса в зону обработки может быть подан импульс воды.
На третьей стадии насадка удаляется из образовавшегося кратера, при этом подача воды может не прекращаться. На четвертой стадии в кратер под давлением подаются воздух и вода, которые удаляют продукты разрушения и увлажняют поверхность стенок кратера. На пятой стадии подача воды и воздуха может быть прекращена и насадка опускается в кратер до тех пор, пока не возникнет контакта между поверхностью насадки и поверхностью кратера. Далее цикл повторяется. Создана экспериментальная установка, реализующая идею метода трех импульсов. Исследованы основные закономерности работы созданной установки. В экспериментах установлено, что МТИ позволяет увеличить эффективность удаления эмали зуба человека по сравнению с эффективностью удаления эмали при контактном режиме обработки с внешним водяным орошением в 23.3 раза при изменении плотности энергии лазерного излучения от 150 Дж/см2 до 50 Дж/см2. МТИ позволяет увеличить эффективность удаления дентина зуба человека по сравнению с эффективностью удаления дентина при контактном режиме обработки с внешним водяным орошением в 1.141.33 раза при изменении плотности энергии лазерного излучения от 150 Дж/см2 до 50 Дж/см2.
Рассмотрена лазерная технология повышения адгезии пломбировочных материалов к твердым тканям зуба человека за счет создания текстур.
Текстуры представляют собой регулярную последовательность микрократеров, которые образуются в результате лазерной абляции при сканировании по поверхности материала лазерного микропучка. Показано, что текстуры, созданные на поверхности эмали излучением одномодового YAG:Er лазера, позволяют в системе эмаль/"Revolution" ("Kerr", США) увеличить усилие на сдвиг практически в три раза. Отмечается, что для фиксированного расстояния между центрами микрократеров в текстуре адгезия тем выше, чем больше диаметр микродефекта.
Разработан, реализован и апробирован алгоритм работы системы обратной связи, адаптирующей параметры лазерного излучения под тип обрабатываемой биоткани на базе анализа спектрально-энергетических параметров лазериндуцированного акустического сигнала. Предложено для одновременной регистрации оптического и акустического сигналов при обработке зуба человека использовать проходные тонкопленочные датчики из поливинилиденфторида (ПВДФ), расположенные на образующей оптического волокна, находящегося в непосредственном контакте с биотканью.
Описана лазерная технология повышения микротвердости и кислотной резистентности твердых тканей зуба человека. В основе технологии лежит эффект неоднородного расширения эмалевых призм и межпризменных промежутков в поле лазерного излучения. Различия в теплофизических свойствах этих структур эмали приводят к увеличению объема призм и уменьшению объема межпризменных промежутков. После снятия лазерного воздействия фиксируется отличная от интактной структура эмали, с большим удельным объемом призм и, как следствие, с большей микротвердостью и кислотной резистентностью. В рамках технологии производят очистку и облучение зуба импульсным лазерным излучением в режиме свободной генерации. Предполагается, что поверхность зуба облучают не дольше чем 100 с сериями импульсов излучения с длиной волны из диапазона (0.31.3 мкм)U(1.62.8 мкм)U(3.29.6 мкм) с перерывом между сериями не менее 1 сек., плотностью энергии в импульсе из диапазона от 10 Дж/см2 до 200 Дж/см2, причем произведение числа импульсов в каждой серии на плотность энергии в импульсе не превышает 2000 Дж/см2.
В пятой главе диссертации описаны основные характеристики современных лазерных систем для обработки твердых биотканей и лазерных систем, в создании которых непосредственное участие принимал автор настоящей диссертационной работы. Конкурентные преимущества этих лазерных систем в значительной мере базируются на том, насколько полно при их разработке удалось учесть рекомендации автора настоящей диссертационной работы, воплотить возможности систем управления с обратными связями, анализирующими лазериндуцированные сигналы, поведение которых описано в настоящей диссертации, а также использовать возможности, которые открывают для увеличения скорости обработки твердых биотканей лазерно-абразивный метод и метод трех импульсов. При непосредственном участии автора настоящей диссертации была разработана первая в мире многоволновая стоматологическая лазерная станция Onyx Multiwave (УLaser Medical SystemsФ GmbH (Австрия)). Клинически была показана возможность проведения эффективной и безболезненной терапии кариеса (in vivo) излучением эрбиевого лазера станции Onyx Multiwave.
Разработана первая в РФ стоматологическая лазерная система Лазма-1 (ЗАО УУНП Лазерный Центр ИТМОФ (Россия)). В ходе клинических испытаний было показано, что Лазма-1 с длиной волны лазерного излучения 2.94 мкм может использоваться в терапевтической стоматологии для препарирования зубов при лечении по поводу кариеса и не кариозных поражений, обеспечивает эффективную абляцию пораженных эмали и дентина зуба человека, не вызывает болевых ощущений во время препарирования зубов и не вызывает осложнений в отдаленные сроки.
Разработана первая в мире многоволновая лазерная стоматологическая система с диодной накачкой atLase (УDental PhotonicsФ Inc. (США)).
Предклинические испытания показали, что atLase с длиной волны 0.97 мкм и 2.83 мкм может использоваться для обработки мягких и твердых тканей полости рта.
В заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты исследований, их практическая ценность и выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные результаты диссертации заключаются в следующем:
1. Разработана сотовая оптико-физическая модель воздействия лазерного излучения на эмаль зуба человека, учитывающая особенности строения эмали. Математическое моделирование с привлечением разработанной модели позволило описать структурные изменения, оценить порог термомеханической абляции, порог разрушения структурного элемента эмали и эффективность лазерной абляции эмали зуба человека излучением эрбиевого лазера.
2. Предложена теоретическая модель лазерного разрушения твердых тканей зуба с использованием полуфеноменологического подхода на основе решения квазистационарной одномерной линейной задачи Стефана с использованием в качестве скрытой теплоты испарения данных о скрытой теплоте разрушения. Математическое моделирование позволило сравнить между собой поля температур, формируемые в твердых тканях зуба излучением с различным поглощением и различной плотностью мощности, и выбрать источник, наиболее эффективно нагревающий твердые ткани зуба.
3. Исследована абляция твердых тканей зуба человека излучением субмиллисекундных импульсов TEMmm эрбиевых лазеров. Предложен, реализован и апробирован метод лазерной обработки твердых биотканей, сочетающий структурированное во времени воздействие лазерного излучения, водяного и воздушного потоков, позволивший значительно увеличить эффективность удаления эмали зуба человека.
4. Исследована абляция твердых тканей зуба человека излучением субмиллисекундных импульсов TEM00 эрбиевых лазеров. Предложен метод повышения адгезионной способности поверхности эмали или дентина зуба.
Предложен метод формирования в зубе микроотверстий с высоким аспектным соотношением, при отсутствии карбонизации 5. Изучено влияние толщины водяной пленки, создаваемой внешней системой орошения на поверхности зуба, на эффективность удаления твердых тканей зуба излучением TEMmm YAG:Er лазера. Обнаружен максимум в зависимости эффективности удаления твердой ткани зуба от толщины водяной пленки.
6. Исследованы эффекты, сопровождающие воздействие на твердые ткани зуба излучения субмиллисекундных импульсов лазерного излучения среднего инфракрасного диапазона спектра с плотностью энергии ниже порога абляции эмали. Предложен метод управления свойствами эмали с помощью лазерного излучения, направленный на профилактику кариеса и состоящий в воздействии на эмаль зуба импульсного излучения YAG:Nd или YAG:Cr;Tm;Ho лазеров c плотностью энергии ниже порога карбонизации на эмаль-дентинной границе зуба 7. Исследованы оптические спектры поглощения интактных эмали и дентина зуба человека и продуктов их лазерного разрушения, установлено, что:
а) наибольшее различие в спектрах поглощения эмали и дентина наблюдается в УФ и ИК области.
б) спектры поглощения продуктов разрушения, полученных в результате лазерной обработки эмали или дентина без водяного орошения, отличаются от спектра поглощения интактной эмали;
в) спектры поглощения продуктов разрушения, полученных в результате лазерной обработки эмали с водяным орошением, не отличаются от спектров поглощения интактной эмали;
г) спектры поглощения продуктов разрушения, полученных в результате лазерной обработки дентина с водяным орошением, отличаются от спектра поглощения интактного дентина.
8. Определено, что при нагреве эмали в диапазоне температур от +20оС до +700оС происходит существенная деформация спектра в диапазоне длин волн 2.53.5 мкм.
9. Исследован импульс отдачи, возникающий при лазерной абляции твердых тканей зуба человека. При одинаковых плотностях энергии лазерного излучения импульс отдачи, возникающий при воздействии излучения одномодового субмиллисекундного эрбиевого лазера на эмаль на порядок меньше, чем импульс отдачи, возникающий при воздействии многомодового субмиллисекундного эрбиевого лазера.
10. Исследовано свечение эрозионного факела, возникающего при воздействии субмиллисекундных импульсов лазеров среднего инфракрасного диапазона спектра на твердые ткани зуба человека, и установлено, что:
а) структура и интенсивность полос спектра свечения эрозионного факела существенно зависят от длины волны лазерного излучения и от типа облучаемой биоткани;
б) свечение эрозионного факела синхронизировано во времени с пичками лазерного излучения;
11. Исследован лазериндуцированный акустический сигнал, возникающий при воздействии лазерного излучения на твердые биоткани излучения лазеров среднего инфракрасного диапазона спектра. Предложен, реализован и апробирован алгоритм работы системы обратной связи, адаптирующей параметры лазерного излучения под тип обрабатываемой биоткани на базе анализа спектрально-энергетических параметров лазериндуцированного акустического сигнала.
12. Исследована взаимосвязь энергетических и спектральных параметров лазерного излучения с кинетическими характеристиками ускоряемых этим лазерным излучением твердых микрочастиц. Предложен, реализован и апробирован метод лазерной обработки твердых биотканей, сочетающий одновременное воздействие лазерного излучения и потока абразивных микрочастиц, приводящий к существенному увеличению эффективности удаления твердой биоткани.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих изданиях:
1. Altshuler G.B., Belikov A.V., Erofeev A.V. Laser treatment of enamel and dentine by different Er-lasers // Proc. SPIE. 1994. V. 2128. P. 273 281.
2. Altshuler G.B, Belikov A.V., Gagarskiy S.V., Erofeev A.V., Parakhuda S.E.
Peculiarities of temporal structure of erbium lasers // Proc. SPIE. 1994.
V. 1984. P. 190 200.
3. Беликов А.В., Сандуленко А.В., Скрипник А.В., Ткачук А.М.
Исследование абляции твердых тканей зуба человека излучением YAG:Cr,Tm,Er лазера ( =2.69 мкм) // Письма в ЖТФ. 1995. T. 21, № 2.
C. 11 16.
4. Беликов А.В., Ерофеев А.В., Скрипник А.В. Особенности теплового отклика пульпы при лазерной обработке эмали и дентина // Письма в ЖТФ. 1995. T. 21, № 9. C. 32 36.
5. Беликов А.В., Мороз Б.Т., Скрипник А.В. Исследование активности бактерий в продуктах лазерного разрушения эмали и дентина зуба человека // Стоматология. 1995. № 6. C. 32 34.
6. Altshuler G.B., Belikov A.V., Slavichek R., Traxler M., Hilgers D.C., Boutoussov D.M. Comparative research of processing of tooth root canals by Nd:YAG and Ho:YAG laser emission // Proc. SPIE. 1995. V. 2623.
P. 155 17. Altshuler G.B., Belikov A.V., Slavichek R., Traxler M., Hilgers D.C., Boutoussov D.M. Conditioning of tooth enamel surface by radiation of Nd:YAG and Ho:YAG lasers // Proc. SPIE. 1995. V. 2623. P. 169 178.
8. Altshuler G.B., Belikov A.V., Skrypnik A.V., Erofeev A.V. Physical aspects of cavity formation of Er laser radiation // Proc. SPIE. 1995. V. 2394.
P. 211 222.
9. Belikov A.V., Skrypnik A.V., Novikov A.G. Identification of enamel and dentin under tooth laser treatment // Proc. SPIE. 1995. V. 2623. P. 109 116.
10.Альтшулер Г.Б., Беликов А.В., Скрипник А.В., Гъдев З.И., Ерофеев А.В., Кичайкина Н.А. Исследование акустического сигнала при обработке эмали и дентина зуба человека субмиллисекундными импульсами YSGG:Cr;Er лазера // Изв. вузов. Приборостроение. 1996., T. 39, № 2. C. 13 20.
11.Altshuler G.B., Belikov A.V., Skrypnik A.V., Erofeev A.V. Research of hard tooth tissue acoustic response under contact YAG: Er laser radiation processing // Proc. SPIE. 1996. V. 2922. P. 228 232.
12.Altshuler G.B., Belikov A.V., Moroz B.T., Pavlovskaya I.V. Investigation of IR absorption spectra of oral cavity bacteria // Proc. SPIE. 1996. V. 2922.
P. 113 118.
13.Беликов А.В., Ерофеев А.В., Синельник Ю.А., Суденков Ю.В.
Исследование особенностей регистрации акустической волны в жидкости с помощью волоконного пьезодатчика // Письма в ЖТФ. 1997. T, 23.№ 3. C. 54 58.
14.Альтшулер Г.Б., Беликов А.В., Скрипник А.В., Ерофеев А.В., Волков С.А., Карасёв В.Б. Влияние водяного орошения на эффективность лазерного удаления твёрдых тканей зуба человека // Журнал "Конверсия".
1997. T. 10. C. 66 67.
15.Беликов А.В., Ерофеев А.В., Скрипник А.В., Синельник Ю.А., Суденков Ю.В. Новый волоконный акустический датчик лазерной энергии // Письма в ЖТФ. 1997. - T. 23, № 3. C. 59 63.
16.Способ обработки твердых тканей зуба лазерным излучением и устройство для его осуществления: Пат. №2089126 РФ / Альтшулер Г.Б., Беликов А.В., Ерофеев А.В.; приоритет 11.04.94; дата выдачи 10.09.97.
17.Altshuler G.B., Belikov A.V., Skrypnik A.V., Baline V.N., Gook A.S., Kropotov S.P., Selivanov V.L. Results of clinical application of YAG: Er laser in dentistry // Proc. SPIE. 1998. V. 3564. P. 194 196.
18.Belikov A.V., Ermolayeva L.A., Vlasova S.N., Sinelnik Y.A. Improvement of marginal adaptation of composite restorations by means of YAG:Nd laser radiation // Proc. SPIE. 1998. V. 3564. P. 201 203.
19.Беликов А.В., Воронцов В.В., Ерофеев А.В., Иванов Н.В., Лориц М.В., Мурзин А.Г., Скрипник А.В. Акустический мониторинг лазерного разрушения твердых биотканей // Оптический журнал. 1998. T. 65, №10. C.97 101.
20.Устройство для обработки материалов (преимущественно биологических) лазерным излучением (варианты): Пат. №2142831 РФ. Беликов А.В., Ерофеев А.В., Судьенков Ю.В.; приоритет 09.02.98; дата выдачи 20.12.99.
21.Altshuler G.B., Belikov A.V., Chernavin I.I. A comparison of three methods for the diagnosis of sound, stained, and carious dentine: conventional, mechanico-acoustic, and laser-acoustic methods // Journal of Clinical Laser Medicine and Surgery. 1999. V. 17, № 3. P. 115 119.
22.Belikov A.V., Prikhodko C.V. YAG:Nd3+ and YAG:Ho3+ submillisecond laser pulse interaction with biological tissues and study of laser-induced thermooptical signals induced thermo-optical signals // Proc. SPIE. 2000. V. 4241.
P. 54 57.
23.Method for treating materials, especially biological tissues, using light induction and device for realizing the same: Pat. EP00976421A1 / Altshuler G.B., Belikov A.V.; 02.02.00.
24.Altshuler G.B., Belikov A.V., Sinelnik Y.A. A Laser-Abrasive Method for the Cutting of Enamel and Dentin // Lasers in Surgery and Medicine. 2001.
V. 28. P. 435 444.
25.Беликов А.В., Приходько К.В. Основные направления развития лазерных медицинских систем с обратными связями // Изв. Вузов. Приборостроение.
2001. T. 44, №6. C. 36-41.
26.Altshuler G.B., Belikov A.V., Skrypnik A.V., Parakhuda S.E., Chernavin I.I.
An improved method of Er :YAG laser treatment of hard dental tissue // Proc. of International Congress Series: Lasers in Dentistry, Revolution of Dental Treatment in the New Millennium. 2003. V. 1248. P. 127 129.
27.Беликов А.В., Приходько К.В., Смолянская О.А., Протасов В.А.
Температурная динамика оптических свойств липидов in vitro // Оптический Журнал. 2003. T. 70, № 11. C.55 58.
28.Беликов А.В. Динамика твердых макрочастиц, ускоренных в поле субмиллисекундного импульса YAG:Er лазера // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО: Теория и практика современных технологий.
2004. № 15. C. 19 23.
29.Беликов А.В., Скрипник А.В. Термостимулированная диффузия пищевых кислот гидроксилапатите // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО:
Теория и практика современных технологий. 2004. № 15. C. 23 27.
30.Беликов А.В. Разрушение композитных материалов под действием частиц, ускоренных в поле субмиллисекундного импульса YAG:Er лазера // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО: Теория и практика современных технологий. 2004. № 15. C. 27 30.
31.Беликов А.В., Скрипник А.В. Лазер кислотный способ удаления зуба эмали человека // Научно технический вестник СПбГУ ИТМО:
Исследование в области физики и оптики. 2005. № 18. C. 10 14.
32.Беликов А.В. Исследование динамики частиц Al2O3, ускоренных в поле субмиллисекундного импульса YAG:Er лазера // ЖТФ. 2005. Т. 75, № 5. C. 137 139.
33.Беликов А.В., Карасёв В.Б., Назаров В.В., Приходько К.В., Скрипник А.В., Солунин А.А., Хлопонин Л.В., Храмов В.Ю. Исследование особенностей взаимодействия оптического излучения с элементами лазерных систем и биологическим объектами. // Научно технический вестник СПбГУ ИТМО: Актуальные проблемы современных оптико информационных систем и технологий. 2005. № 21.
C. 65 75.
34.Беликов А.В., Карасёв В.Б., Пушкарева А.Е., Скрипник А.В., Тихонов С.В., Чуйко В.А. Исследование взаимодействия оптического излучения с элементами лазерных систем и биологическими объектами.
азерная модификация поверхности эмали зуба человека // Научно технический вестник СПбГУ ИТМО: Фундаментальные и прикладные исследования информационных систем и технологий.
2006. № 30. C. 56 64.
35.Oral appliance with heat transfer mechanism: Pat. CA2589817 (A1) /Altshuler G.B., Belikov A.V., Erofeev A.V; 15.06.06.
36.Device for the therapeutic and cosmetic photo-processing of biological tissue and method for using the same: Pat. US7097656 (B1) / Acopov L.I., Belikov A.V., Birjuchinsky S.B., Inochkin M.V.; 29.08.06.
37.Method and apparatus for tooth rejuvenation and hard tissue modification: Pat.
US2007160958 (A1) / Altshuler G.B., Belikov A.V.; 12.07.07.
38.Dermatological treatment device: Pat. EP1858588 (A2) / Altshuler G.B., Belikov A.V., Erofeev A.V., OТShea Liam, Yaroslavsky I.; 28.11.07.
39.Беликов А.В., Карасёв В.Б., Пушкарёва А.Е., Скрипник А.В., Смирнов М.З., Овчаренко Я.С., Храмов В.Ю. Оптимизация воздействия лазерного излучения на мягкие биоткани // Оптический журнал. 2008.
T. 75, № 1. C. 11 14.
40.Беликов А.В., Мороз Б.Т., Федотов Д.Ю., Кретцер Ю.Л. Изучение соотношения Са/Р в интактной и кариозной эмали и дентине зубов после воздействия YAG: Er лазерным излучением // Научно практический журнал Институт Стоматологии. 2008. №1 (38). C. 110.
41.Method and apparatus for processing hard material: Pat. US2008003536 (A1) / Altshuler G.B., Belikov A.V.; 03.01.08.
42.Method and apparatus for processing hard material: Pat. US2008021441 (A1) / Altshuler G.B., Belikov A.V.; 24.01.08.
43.Method and apparatus for processing hard material: Pat. AT410965 (T) / Altshuler G.B., Belikov A.V.; 15.10.08.
44.Method and apparatus for treatment of solid material including hard tissue: Pat.
US2008262577 (A1) / Altshuler G.B., Belikov A.V., Khramov V.Y.; 23.10.08.
45.Method and apparatus for tooth rejuvenation and hard tissue modification: Pat.
US2008280260 (A1) / Altshuler G.B., Belikov A.V., Grishin V.V.; 13.11.08.
46.Belikov A.V., Skrypnik A.V., Zholobova E.P. Comparative study of human hard tooth tissues removal efficiency by Er laser pulses with different temporal structure // Proc. SPIE. 2008. V. 6791. P. 67910U-1 67910U-7.
47.Беликов А.В., Мороз Б.Т., Федотов Д.Ю., Шатилова К.В., Кретцер Ю.Л.
Исследование влияния лазерного излучения на диффузию Ca и P в твердые ткани зуба // Научно практический журнал Институт Стоматологии.
2009. № 3 (44). C. 80.
48.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. №02 (60). C. 51 58.
49.Belikov A.V., Skrypnik A.V., Shatilova K.V. YAG: Er laser texturing of human teeth hard tissue surface // Proc. SPIE. 2010. V. 7547. P. 7547051 754705-6.
50.Беликов А.В., Пушкарева А.В., Скрипник А.В., Струнина Т.В., Шатилова К.В. Лазерное текстурирование поверхностей материалов // Изв.
вузов. Приборостроение. 2010. T. 53, № 4. C. 52 56.
51.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. 2010.
T. 109, №2. C. 241 246.
52. 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. 110 114.
53. Беликов А.В., Скрипник А.В., Струнина Т.В., Шатилова К.В.
Исследование процессов воздействия оптического излучения на биологические ткани и элементы лазерных систем // Научно технический вестник СПбГУ ИТМО. 2011. № 4 (74). C. 107 112.