Воздействие импульсов неодимового лазера различной длительности на твердые ткани зуба Демьянова Татьяна Сергеевна

Введение к работе

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

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

Неодимовые лазеры могут стать альтернативой, т.к. их основными преимуществами являются: возможность селективного удаления кариозной ткани, которая поглощает излучение на 1,06 мкм лучше, чем интактная эмаль, а также возможность доставки излучения по оптоволоконных кабелям. Анализ состояния дел в данной области показывает, что за рубежом проблемой взаимодействия импульсного излучения именно неодимовых лазеров с биологическими материалами, в частности с тканями зуба, занимаются гораздо активнее, чем в России [2-4]. Однако результаты первых экспериментов показали, что при использовании излучения неодимового лазера микросекундной длительности существуют трудности - оно слабо поглощается твердыми зубными тканями, вследствие чего происходит повреждение пульпы [5]. Решение этой проблемы возможно, если использовать высокоэнергетические отдельные короткие (наносекундные) импульсы или цуг ультракоротких импульсов в режиме кратковременной резонансной модуляции потерь [6-7]. Суть метода кратковременной резонансной модуляции потерь состоит в особенности управления добротностью резонатора. После быстрого включения добротности производится глубокая, практически 100%-ная резонансная (синхронно с аксиальным периодом резонатора) электрооптическая модуляция потерь в течение нескольких десятков периодов обхода волной резонатора. После отключения модуляции потерь устанавливается максимальная для данного лазера добротность и происходит свободное развитие ультракороткого импульса, который полностью снимает инверсию.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна:

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

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

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

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

   Практическая значимость:

   4. 4. 1. Экспериментально доказана принципиальная возможность применения лазерно- плазменной технологии для стоматологических операций на твердых тканях зуба.

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

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

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

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

         На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

         4. 4. 5. 1. Предложенный метод лазерно-плазменной абляции позволяет использовать высокоинтенсивное импульсное лазерное излучение неодимового лазера для препарирования слабопоглощающих твердых тканей зуба.

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

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

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

                  Апробация работы:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

                  Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы из 184 наименования. Общий объем диссертации 161 страница, из них 129 страниц текста, включая 34 рисунка и 11 таблиц.

                  Похожие диссертации на Воздействие импульсов неодимового лазера различной длительности на твердые ткани зуба

                  

                  Обращение волнового фронта излучения CO2-лазеров с большой длительностью импульса на тепловых динамических голограммах в элегазе и органических жидкостяхСоколов Виктор Николаевич

                  

                  Абляция и свеллинг полимероподобных сред при воздействии лазерных импульсов в полосе поглощенияМалышев Алексей Юрьевич

                  Эмиссия электронов и окисление металлов при воздействии ультракоротких лазерных импульсовСергаева, Ольга Николаевна

                  Воздействие коротких лазерных импульсов на нематические жидкие кристаллыУсова, Наталья Александровна

                  

                  Многофотонное возбуждение и рекомендация неравновесных носителей заряда в широкозонных кристаллах при воздействии пикосекундных лазерных импульсовГарнов Сергей Владимирович

                  

                  Нано- и микроструктурирование поверхности металлов и полупроводников в воздухе при воздействии фемтосекундных лазерных импульсовМакаров Сергей Владимирович

                  

                  Анализ процессов плавления и кристаллизации металлов при воздействии ультракоротких лазерных импульсовСвирина, Вера Владимировна

                  

                  Генерация высокотемпературной плазмы и массоперенос аблируемых частиц при воздействии последовательностью высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов на твердотельные мишени в газовой средеМакаров Иван Андреевич

                  Теория формирования и усиления мощных сверхкоротких импульсов ИК излучения и их воздействия на веществоТаранухин, Владимир Дмитриевич

                  Генерация сверхкоротких импульсов в лазере с керровской нелинейностью в резонаторе и применение этого лазера в нелинейной спектроскопии гладких и профилированных поверхностейАнгелуц, Андрей Александрович