Способ обработки эмали и дентина зуба и устройство для его реализации

 

Изобретение относятся к медицинской технике и может быть использовано в стоматологии при профилактике зубов против кариеса. Способ обработки заключается в том, что эмаль и дентин зуба облучаются сериями импульсов лазерного излучения из диапазона длин волн 0,3 - 1,3 мкм, 1,6 - 2,8 мкм, 3,2 - 9,6 мкм в режиме свободной генерации, длительность обработки сериями импульсов не превышает 100 с, причем число серий импульсов не превышает 10, перерыв между сериями длится не менее 1 с, а плотность энергии излучения, падающего на зуб при обработке, зависит от длины волны излучения, но не превышает 2000 Дж/см². В результате такой обработки достигается повышение микротвердости и кислотной резистентности эмали и дентина зуба более чем в 1,5 раза. В устройстве для реализации этого способа введены таймер, модулятор и светораспределительные насадки, обеспечивающие требуемое распределение излучения на поверхности зуба и защиту тканей полости рта, не требующих обработки, от облучения. 2 c. и 9 з.п.ф-лы, 9 ил., 1 табл.

Изобретение относится к стоматологии и может использоваться при лечении и профилактике зубов по отношению к кариесу.

Известен способ обработки поверхности зуба лазерным излучением (см. H. Yamamoto and K. Sato "Prevention of dental caries by Nd: YAG laser irradiation"/Journal of Dental Research, v. 59 (DII) Dec. 1980, pp. 2171 - 2177) с целью предотвращения кариеса, включающий облучение поверхности эмали зуба излучением YAG:Nd лазера через предварительно нанесенный на эту поверхность краситель - абсорбент. Недостатком этого способа является тот факт, что в результате обработки модифицируется только поверхностный слой зуба. Неравномерность покрытия поверхности зуба абсорбентом является причиной различного поглощения энергии участками облучаемой ткани и как следствие результат облучения носит нерегулярный характер.

Наиболее близким по режиму облучения и выбранным за прототип является способ обработки зуба, включающий облучение зуба импульсным лазерным излучением в режиме свободной генерации, для предотвращения кариеса, но также с использованием абсорбента. (см. K. Kamiyama "Basic and clinical research in the prevention of dental caries using the Nd:YAG kaser"/Proc. of the 4-th International Congress on Lasers in Dentistry, Singapore, August, 1994, pp. 19 - 28). Недостатком прототипа является также модификация только поверхности зуба т. е. только верхнего слоя эмали, большая продолжительность обработки, а также возможные косметические дефекты на фиссурах.

Известно стоматологическое лазерное лечебное оборудование (заявка FR N 2577810 опубл. 29.08.86 г.), содержащее лазер, систему управления лазерным излучением и средство доставки излучения к зубу со щупом, позволяющим направлять излучение в зону обработки. Недостатком этого устройства является отсутствие возможности получения разнообразного распределения излучения на обрабатываемой поверхности.

Наиболее близким по технической сущности и выбранным за прототип является стоматологическая лазерная установка (патент WO 90/01907, опубл. 08.03.90 г.), содержащая импульсный лазер, блок питания и управления лазером, средство доставки излучения к зубу и наконечник со сменными насадками. Недостатком данного устройства является предназначенность его только для разрушения твердых тканей зуба, наличие только светоконцентрирующих насадок и отсутствие возможности получения разнообразного распределения излучения на поверхности зуба.

Задача, на которую направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении механической прочности и кислотной резистентности по всей глубине, как эмали, так и дентина зуба человека, а также в уменьшении продолжительности обработки.

Указанная задача решается при осуществлении изобретения за счет технического результата, заключающегося в использовании свойства изменения структуры твердых тканей зуба при воздействии на них лазерного излучения с параметрами, лежащими в конкретных пределах.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе обработки тканей зуба, включающем промывку и облучение зуба импульсным лазерным излучением в режиме свободной генерации, поверхность зуба облучают не дольше, чем 100 с сериями импульсов излучения с длиной волны из диапазона 0.3 - 1.3 мкм, 1.6 - 2.8 мкм, 3.2 - 9.6 мкм с перерывом между сериями не менее 1 сек., плотностью энергии в импульсе 10 - 200 Дж/см², причем произведение числа импульсов в каждой серии на плотность энергии в импульсе не превышает 2000 Дж/см².

Облучение эмали зуба импульсами излучения YAG:Nd лазера должно происходить с плотностью энергии не менее 30 Дж/см², продолжительность каждой серии импульсов равна 2 с, а произведение числа импульсов в каждой серии на плотность энергии в импульсе не превышает 1650 Дж/см². Дентин зуба облучают импульсами излучения YAG:Nd лазера с плотностью энергии из диапазона 20 - 100 Дж/см², продолжительность каждой серии импульсов равна 5 с, а произведение числа импульсов в каждой серии на плотность энергии в импульсе не превышает 1550 Дж/см².

Указанный технический результат достигается также когда эмаль зуба облучают импульсами YAG:Cr; Tm; Ho лазера плотностью энергии 15 - 100 Дж/см², продолжительность каждой серии импульсов равна 2 с, а произведение числа импульсов в каждой серии на плотность энергии в импульсе не превышает 600 Дж/см². Дентин зуба облучают импульсами излучения YAG:Cr; Tm; Ho лазера с плотностью энергии не более 80 Дж/см², продолжительность каждой серии импульсов равна 5 с, а произведение числа импульсов в каждой серии на плотность энергии в импульсе не превышает 550 Дж/см².

Кроме того, указанный технический результат достигается если облучение зуба лазерным излучением с указанными параметрами сопровождается орошением зуба водой.

Указанный технический результат достигается также если каждый импульс длится 40 - 300 мкс и состоит из 10 - 30 пичков длительностью 2 - 5 мкс, продолжительность каждой серии импульсов не превышает 5 с и облучение производится сериями с равными промежутками между импульсами.

Указанный технический результат достигается также тем, что в устройстве, содержащем импульсный лазер, блок питания и управления импульсным лазером, средство доставки лазерного излучения к зубу, выполненное в виде оптического волокна, или системы оптических элементов и наконечника со сменными насадками, непрозрачное зеркало резонатора лазера закреплено на площадке механического модулятора, активный элемент лазера выполнен из материала который обладает лазерным переходом, обеспечивающим излучение в диапазоне длин волн 0.3 мкм - 1.3 мкм, 1.6 мкм - 2,8 мкм, 3.2 мкм - 9.6 мкм и/или зеркала резонатора выполнены селективно-прозрачными в диапазоне длин волн 1.3 мкм - 1.6 мкм, 2.8 - 3.2 мкм, а также в областях меньше чем 0.3 мкм и больше чем 9.6 мкм, блок управления соединен с блоком питания импульсного лазера через таймер, а насадки являются светораспределительными с функцией защиты от облучения тканей полости рта, окружающих место воздействия.

При необходимости облучать коронку зуба светораспределительная насадка выполнена в виде оптического волокна со светорассеивающей головкой на конце, помещенной внутри полости, имеющей, например, форму эллипсоида вращения с зеркальным или диффузным покрытием внутренней поверхности. Светорассеивающая головка помещена в первом фокусе эллипсоида, второй фокус которого ориентировочно совпадает с геометрическим центром тела зуба.

В случае облучения части поверхности зуба, например участка с обнаженным дентином в пришеечной области, светораспределительная насадка может быть выполнена в виде оптического волокна, конец которого расположен на оси двух коаксиальных цилиндров, причем внешний цилиндр выполнен с возможностью перемещения.

При облучении одной поверхности зуба (например, фронтальной) для защиты от облучения других тканей полости рта светораспределительная насадка выполнена в виде прикрепленной к наконечнику светопоглощающей заслонки, размещенной непосредственно за облучаемым зубом или в виде ограничительной пластины с функцией регулирования площади светового пятна на поверхности зуба.

При воздействии мощным лазерным излучением на какой-либо материал возникают изменения в структуре этого материала, вплоть до его разрушения. Различают два порога лазерного изменения структуры материала. Первый порог - величина параметров излучения, при которой происходят изменения структуры материала без нарушения его механической целостности. Второй порог - при превышении которого нарушается механическая целостность и возможно удаление части материала.

Очевидно, что параметрами лазерного излучения, влияющими на степень порогового изменения структуры твердых тканей зуба, являются длительность воздействия, энергетические и спектральные характеристики излучения.

Одним из механизмов взаимодействия лазерного излучения с твердыми тканями зуба является нагрев объема ткани в течение воздействия и быстрое его охлаждение после снятия воздействия. Например, значительная глубина проникновения излучения неодимового (длина волны излучения 1.064 мкм) или гольмиевого (длина волны излучения 2.088 мкм) лазеров в ткани приводит к прогреву ее объема, а не только поверхности.

Результаты измерений сканирующим электронным микроскопом показали, что в поле лазерного излучения происходит неоднократное расширение эмалевых призм и межпризменных промежутков. Различия в термомеханических свойствах этих структур эмали приводят к увеличению объема призм и уменьшению объема межпризменных промежутков. Таким образом, после снятия лазерного воздействия фиксируется отличная от интактной структура эмали, с большим удельным объемом призм и как следствие с большей твердостью и кислотной резистентностью. Данный процесс происходит при плотностях энергии лазерного излучения, значительно меньших, чем порог карбонизации и порог разрушения эмали.

Модификация дентина в поле лазерного излучения происходит из-за неоднородного уширения стенок дентинных трубочек, интертубулярных пространств и дентинных промежутков. После снятия воздействия фиксируется отличная от интактной структура дентина, с меньшим объемом пустот (интертубулярных пространств) и соответственно с большей микротвердостью и кислотной резистентнотью.

Значения спектральных диапазонов применимости данной технологии выбраны на основании результатов многочисленных исследований, исходя из двух критериев: первый - окружающие зуб ткани не должны подвергаться какому-либо воздействию (нагрев, фотохимические изменения и т.д.), второй - облучаемые твердые ткани не должны разрушаться (абляция, испарение и т.д.).

Вероятность этих процессов связана с величиной относительного спектрального коэффициента поглощения (m) твердой ткани, зависящего от длины волны лазерного излучения. Относительный коэффициент поглощения (m) эмали (дентина) определяется спектральными коэффициентами поглощения органической и неорганической (гидроксилапатит) компанент зубной ткани и равен отношению значения спектрального коэффициента поглощения органической компаненты (k_ор) к значению спектрального коэффициента поглощения гидроксилапатита (k_га), т. е. m = k_ор/k_га. Если m меньше 1, происходит нагрев наиболее хрупкой (неэластичной) структуры твердой ткани (эмаль - эмалевая призма, дентин - дентинный каналец), и как следствие ее разрушение. Если m больше 1, происходит нагрев наиболее эластичной структуры твердой ткани (коллаген межпризменных пространств, коллаген межтубулярных пространств), и как следствие ее модификация. В соответствии с этим спектральные границы применимости предлагаемого способа обработки, с целью решения указанной задачи, следующие: - нижняя спектральная граница (0.3 мкм) - ниже этого значения наблюдается мутация биологических тканей (в том числе слизистой полости рта); - верхняя спектральная граница (9.6 мкм) - выше этой границы спектральный коэффициент поглощения твердых тканей зуба определяется превышением поглощения неорганической компаненты (PO-групп гидроксилапатита) и, следовательно, m меньше 1, т.е. наступает разрушение ткани; - промежуток (1.3 - 1.6 мкм) - внутри этого промежутка коэффициент поглощения твердых тканей зуба определяется поглощением неорганической компаненты (OH-групп гидроксилапатита) и, следовательно, m меньше 1 (разрушение).

- промежуток (2.8 - 3.2 мкм) - внутри этого промежутка коэффициент поглощения твердых тканей зуба определяется поглощением неорганической компаненты (OH-групп гидроксилапатита) и, следовательно, m меньше 1 (разрушение).

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - 9, где на фиг. 1, 3, 4 представлены временные диаграммы процесса обработки эмали и дентина зуба по предлагаемому способу. Фиг. 2 иллюстрирует результат измерений, обосновывающий и подтверждающий полезность предлагаемого способа. На фиг. 5 - 9 показано устройство, реализующее данный способ, и виды насадок к наконечнику.

Длительность облучения каждой серией импульсов τ₁ (фиг. 1) соответствует времени терморелаксации слоя ткани (эмали или дентина) и рассчитывается по формуле (см. А.В. Лыков "Тепломассообмен", М.: Энергия, 1978, с. 129): τ₁ = r²/a, (1) где: r - толщина слоя ткани, м; a - температуропроводность ткани, м²/с; для эмали a = 4.7 · 10^-7 м²/с; для эмали a = 1.8 · 10^-7 м²/с.

Подставляя в эту формулу, значения температуропроводности для эмали и дентина (см. W. S. Brown, W.A. Dewey, H,R. Jacobs "Thermal Properties of teeth" // Journal of Dental Research 1970, 49(4), pp. 752 - 755) и толщину ткани (r = 1 мм) получаем, что для эмали τ₁ = 2 с, для дентина τ₁ = 5 с. Время перерыва между сериями τ₂ соответствует времени охлаждения нагретого слоя ткани до температуры окружающей среды и определяется экспериментально. Эксперименты по определению этого промежутка времени показали, что его значение для обоих типов твердых тканей должно быть не менее 1 с.

Общая длительность процедуры выбрана на основании результатов многочисленных экспериментов по измерению порога карбонизации зубных тканей и измерению зависимости микротвердости (кислотной резистентности) ткани от числа серий лазерных импульсов. Вид данной зависимости приведен на фиг. 2. Видно, что данная зависимость насыщается начиная с 8-й серии. Порог же карбонизации при данной плотности энергии соответствует моменту начала 11-й серии импульсов и свидетельствует о необратимом разрушении биоткани, что крайне нежелательно. Поэтому максимальное число серий импульсов не должно превышать 10 и следовательно вся процедура не должна длиться дольше 100 с.

Исследования авторов по анализу результатов обработки измерением кислотной резистентности слоев ткани, в зависимости от плотности энергии лазерного импульса показали, что резистентность ткани возрастает начиная с 10 Дж/см², а при плотности энергии больше чем 300 Дж/см² вновь равна кислотной резистентности интактной ткани. Например, для дентина эта величина может возрасти в два раза. При этом микротвердость достигает максимального значения при числе лазерных импульсов N в серии 10 - 50, т.е. справедливо следующее соотношение между энергетическими, частотными и спектральными параметрами лазерного излучения: W(λ) < 2W₀(λ)/(mN), при m > 1, (2)
где: W(λ) - плотность энергии лазерного излучения, достаточная для селективной обработки объема твердых тканей зуба;
W₀(λ) - плотность энергии лазерного излучения, приводящая к разрушению твердых тканей зуба.

W₀(λ) зависит от длины волны лазерного излучения и для наиболее широко распространенных лазеров приведена в таблице. В этой же таблице приведены значения коэффициента m.

Кроме того, увеличение микротвердости и кислотной резистентности эмали (дентина) заметно проявляется при длительности элементарного лазерного воздействия (пичка) τ₄ (см. фиг. 3), соответствующей времени терморелаксации межпризменных промежутков эмали и дентинных канальцев, толщина которых составляет величину порядка 1 мкм. Подставляя это значение в формулу 1, получаем, что τ₄ для эмали составляет величину порядка 2 мкс, для дентина - 5 мкс. В этом случае параметры активной среды и оптического резонатора выбираются таким образом, чтобы длительность лазерного импульса τ₃ (см. фиг. 4) была 40 - 300 мкс (Н.В. Карлов, "Лекции по квантовой электронике", М.: Наука, 1988). Если параметры лазерного излучения не соответствуют приведенным значениям τ₁, τ₂, τ₃, τ₄, то происходит перегрев пульпарной камеры или разрушение эмали, дентина, эмаль-дентинной границы, пульпы. После обработки же эмали и дентина по предлагаемому способу наблюдается 50% увеличение микротвердости на поверхности эмали и 80% увеличение микротвердости по глубине эмали. Для дентина наблюдаются аналогичные зависимости.

Реализация описанного способа лазерной обработки эмали и дентина зуба возможна при использовании устройства, принципиальная схема которого приведена на фиг. 5. Устройство состоит из импульсного лазера 1, блока питания 2, вход которого соединен с выходом блока управления 3 через таймер 4 и средства доставки лазерного излучения 5 к зубу 6, которое на фиг. 5 представлено состоящим из оптического волокна 7, наконечника 8 с насадкой 9. Глухое зеркало 10 резонатора лазера 1, состоящего из этого зеркала 10 и полупрозрачного зеркала 11, закреплено на площадке 12 механического модулятора 13, вход которого соединен с выходом блока управления 3. Зеркала 10 и 11 являются селективными, соответственно отражающим и полупрозрачным для диапазона длин волн 0.3 мкм - 1.3 мкм, 1.6 мкм - 2.8 мкм, 3.2 мкм - 9.6 мкм и могут быть полностью прозрачными для промежутка длин волн 1.3 мкм - 1.6 мкм, 2.8 мкм - 3.2 мкм, а также в областях меньше чем 0.3 мкм и больше чем 9.6 мкм. Активный элемент 14 лазера 1 выполнен из материала, который обладает лазерным переходом, обеспечивающим лазерное излучение в диапазоне длин волн 0.3 мкм - 1.3 мкм, 1.6 мкм - 2.8 мкм, 3.2 мкм - 9.6 мкм.

Вид насадки 9, обеспечивающей облучение коронки зуба 6, показан на фиг. 6. Насадка состоит из переходной втулки 15, которая может быть гибкой, фиксатора 16, отражателя 17 эллипсоидальной (сферической или параболоидальной) формы, в фокусе которого расположен конец оптического волокна 7 со светорассеивающей головкой 18. Крепление 19 служит для аппликации отражателя 17 на зуб 6.

Другой вид насадки 9 представлен на фиг. 7. Переходная втулка 15 выполнена в виде подвижного дистанцера, например, цилиндрической формы, коаксиального оси симметрии наконечника, фиксирующегося относительно наконечника 8 (соответственно относительно зуба 6 и конца волокна 7) на необходимом расстоянии с помощью фиксатора 20 в соответствии с рисками шкалы 21.

Насадка может быть выполнена также в виде, показанном на фиг. 8. Переходная втулка 14 выполнена в виде кольца со штоком 22, вдоль которого может перемещаться светопоглощающий элемент 23, выполненный в виде экрана или конуса, расположенного за облучаемым зубом. На шток 22 может одеваться также ограничительная пластина 24, позволяющая регулировать площадь светового пятна на поверхности зуба. (фиг. 9).

Устройство работает следующим образом. Излучение лазера 1 направляется по оптическом волокну 7 средства доставки излучения 5. Наконечник 8 служит для направления врачом излучения к облучаемому зубу 6. Пичковый режим излучения обеспечивается благодаря механическим колебаниям площадки 12, на которой закреплено зеркало 10. Частота колебаний задается модулятором 13 и лежит в диапазоне 0.2 МГц - 0.5 МГц. С помощью таймера 4 определяются длительности серии импульсов и перерывы между сериями. Селективность зеркал 10 и 11 и/или активного элемента 14 обеспечивает требуемый диапазон длин волн излучения. В случае облучения коронки зуба используется насадка, показанная на фиг. 6. При выходе из волокна 7 излучение рассеивается светорассеивающей головкой 18 и затем отражается от внутренней поверхности отражателя 17. Из-за того, что рассеяние пришедшего по волокну 7 излучения происходит в фокусе отражателя 17, отраженные лучи направляются во второй фокус (если отражатель имеет форму эллипсоида вращения) или в бесконечность, если отражатель 17 имеет сферическую или параболоидальную форму. Отражатель 17 в случае эллипсоидальной формы располагается на зубе так, что второй фокус находится внутри зуба.

Для облучения боковой поверхности зуба используются насадки 9, показанные на фиг. 7, 9, а при необходимости защиты других тканей полости рта от воздействия излучения - насадка 9, показанная на фиг. 8.

Требуемый в соответствии с предлагаемым способом обработки зуба временной режим излучения лазера 1 обеспечивается блоком управления 3 через таймер 4. В качестве системы орошения зуба (не показано) может служить стандартное стоматологическое оборудование (например, модель фирмы SIEMENS (Германия) "Siroma Junior").

Формула изобретения

1. Способ обработки эмали и дентина зуба, включающий промывку и облучение зуба импульсным лазерным излучением в режиме свободной генерации, отличающийся тем, что поверхность зуба облучают не дольше 100 с сериями импульсов излучения с длиной волны из диапазона 0,3-1,3 мкм, 1,6-2,8 мкм, 3,2-9,6 мкм с перерывом между сериями не менее 1 с, плотностью энергии в импульсе 10-200 Дж/см², причем произведение числа импульсов в каждой серии на плотность энергии в импульсе не превышает 2000 Дж/см².

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что эмаль зуба облучают импульсами излучения YAG: Nd лазера с плотностью энергии не менее 30 Дж/см², продолжительность каждой серии импульсов равна 2 с, а произведение числа импульсов в каждой серии на плотность энергии в импульсе не превышает 1650 Дж/см², дентин зуба облучают импульсами излучения YAG:Nd лазера с плотностью энергии из диапазона 20-100 Дж/см², продолжительность каждой серии серии равна 5 с, а произведение числа импульсов в каждой серии на плотность энергии в импульсе не превышает 1550 Дж/см².

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что эмаль зуба облучают импульсами излучения YAG:G; Tm; Ho лазера с плотностью энергии 15-100 Дж/см², продолжительность каждой серии импульсов равна 2 с, а произведение числа импульсов в каждой серии на плотность энергии импульсе не превышает 600 Дж/см², а дентин зуба облучают импульсами излучения YAG:G; Tm; Ho лазера с плотностью энергии не более 80 Дж/см², продолжительность каждой серии импульсов равна 5 с, а произведение числа импульсов в каждой серии на плотность энергии в импульсе не превышает 550 Дж/см².

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучение зуба сопровождается его орошением водой.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждый импульс имеет длительность 100-300 мкс и содержит 10-30 пичков.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что продолжительность каждой серии импульсов не превышает 5 с.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучение производится сериями с равными промежутками между импульсами.

8. Устройство обработки эмали и дентина зуба, содержащее импульсный лазер, блоки питания и управления импульсным лазером, средство доставки лазерного излучения к зубу, выполненное в виде оптического волокна или системы оптических элементов и наконечника со сменными насадками, отличающееся тем, что длина волны излучения лазера находится в диапазоне (0,3-1,3 мкм, 1,6-2,8 мкм, 3,2-9,6 мкм), блок управления соединен с блоком питания через таймер, а насадки к наконечнику выполнены светораспределительными с функцией защиты от облучения окружающих тканей полости рта.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что светораспределительная насадка выполнена в виде оптического волокна со светорассеивающей головкой на конце, расположенной внутри полости, имеющей, например, форму эллипсоида вращения с зеркальным или диффузным покрытием внутренней поверхности, причем светорассеивающая головка помещена в первом фокусе эллипсоида, второй фокус которого ориентировочно совпадает с геометрическим центром тела зуба.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что светораспределительная насадка выполнена в виде оптического волокна, конец которого расположен на оси двух коаксиальных цилиндров, причем внешний цилиндр выполнен с возможностью перемещения.

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что светораспределительная насадка выполнена в виде прикрепленной к наконечнику светопоглощающей заслонки, размещенной непосредственно за облучаемым зубом, или в виде ограничительной пластины с функцией регулирования площади светового пятна на поверхности зуба.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10