Применение лазерных технологий в стоматологии

Применение  лазерных технологий в стоматологии

С давних времен свет используется человеком в качестве целебного и оздоравливающего фактора. Использование солнечного излучения, а также первых искусственных ультрафиолетовых излучателей для лечения некоторых болезней показало возможность целенаправленного применения света в практической медицине.

Эра принципиально новой  светотерапии связана с изобретением (Н.Г. Басов, А.М. Прохоров (СССР), Ч. Таунс (США), 1955 г.) и созданием (Т. Мейман, 1960 г.) лазера — нового, не имеющего аналогов в природе, вида излучения. Слово LASER представляет собой аббревиатуру с английского light amplification by stimulated emission of radiatiоn, что переводится как «усиление света в результате вынужденного излучения». Уникальность его физической природы и связанных с ней биологических эффектов обусловлена строгой монохроматичностью и когерентностью электромагнитных волн в световом потоке.

Началом медицинского применения лазеров принято считать 1961 г., когда A. Javan создал гелий-неоновый излучатель. Низкоинтенсивные излучатели данного типа нашли свое применение в физиотерапии. В 1964 г. был сконструирован лазер на основе диоксида углерода, что стало отправным моментом в хирургическом использовании лазеров. В этом же году Голдман и др. высказали предположение о возможности применения рубинового излучателя для иссечения кариозных тканей зуба, что вызвало большой интерес у исследователей. В 1967 г. Гордон попытался провести эту манипуляцию в клинике, но несмотря на хорошие результаты, полученные in vitro, не сумел избежать повреждения пульпы зуба. Та же проблема возникла при попытке использовать для этих целей СО₂-лазер. Позднее для препарирования твердых тканей зуба был предложен принцип импульсного воздействия и разработаны специальные структуры временного распределения импульсов, созданы излучатели на основе других кристаллов.

В последние годы наблюдается  устойчивая тенденция к росту  использования лазеров и разработок новых лазерных технологий во всех областях медицины. Внедрение лазеров  в здравоохранение имеет большой социально-экономический эффект. Важно подчеркнуть: лазер как инструмент лечебного воздействия сегодня привлекателен не только для врача, но и для пациента. Медицинское применение лазеров основывается на следующих механизмах взаимодействия света с биологическими тканями: 1) невозмущающем воздействии, которое используется для создания различных диагностических приборов; 2) фотодеструктивном действии света, которое преимущественно используется в лазерной хирургии; 3) фотохимическом действии света, лежащем в основе применения лазерного излучения как терапевтического средства.

Сегодня лазеры с успехом  применяются практически во всех областях стоматологии: это профилактика и лечение кариеса, эндодонтия, эстетическая стоматология, периодонтология, лечение заболеваний кожи и слизистых оболочек, челюстно-лицевая и пластическая хирургия, косметология, имплантология, ортодонтия, ортопедическая стоматология, технологии изготовления и ремонта протезов и аппаратов.  

 

Принцип работы лазера

Принципиальную схему  работы любого лазерного излучателя можно представить следующим  образом (рис. 1).   

Рис. 1. Схема работы лазерного излучателя  

 

В структуру каждого из них входит цилиндрический стержень с рабочим веществом, на торцах которого расположены зеркала, одно из которых  обладает небольшой проницаемостью. В непосредственной близости от цилиндра с рабочим веществом расположена  лампа-вспышка, которая может быть параллельна стержню или змеевидно  окружать его. Известно, что в нагретых телах, например в лампе накаливания, происходит спонтанное излучение, при  котором каждый атом вещества излучает по-своему, и, таким образом, имеются  хаотически направленные друг относительно друга потоки световых волн. В лазерном излучателе используется так называемое вынужденное излучение, которое  отличается от спонтанного и возникает  при атаке возбужденного атома  квантом света. Испускаемый при  этом фотон по всем электромагнитным характеристикам абсолютно идентичен  первичному, атаковавшему возбужденный атом. В результате появляются уже  два фотона, обладающие одинаковой длиной волны, частотой, амплитудой, направлением распространения и поляризации. Легко представить, что в активной среде происходит процесс лавинообразного  нарастания числа фотонов, по всем параметрам копирующих первичный "затравочный" фотон, и формирующих однонаправленный световой поток. В качестве такой  активной среды в лазерном излучателе выступает рабочее вещество, а  возбуждение его атомов (накачка  лазера) происходит за счет энергии  лампы-вспышки. Потоки фотонов, направление  распространения которых перпендикулярно  плоскости зеркал, отражаясь от их поверхности, многократно проходят сквозь рабочее вещество туда и обратно, вызывая все новые и новые цепные лавинообразные реакции. Поскольку одно из зеркал обладает частичной проницаемостью, часть образующихся фотонов выходит в форме видимого лазерного луча.

Таким образом, отличительной  особенностью лазерного излучения  является монохроматичность, когерентность и высокая поляризация электромагнитных волн в световом потоке. Монохроматичность характеризуется наличием в спектре источника фотонов преимущественно одной длины волны, когерентность есть синхронизация во времени и пространстве монохроматичных световых волн. Высокая поляризация - закономерное изменение направления и величины вектора излучения в плоскости, перпендикулярной световому лучу. То есть фотоны в лазерном световом потоке обладают не только постоянством длин волн, частот и амплитуды, но и одинаковым направлением распространения и поляризации. В то время как обычный свет состоит из хаотично разлетающихся разнородных частиц. Для сравнения можно сказать, что между светом, испускаемым лазером, и обычной лампой накаливания такая же разница, как между звуком камертона и шумом улицы.

Для характеристики лазерного  излучения применяются следующие  параметры:

·        длина волны (γ), измеряется в нм, мкм;

·        мощность излучения (P), из меряется в Вт и мВт;

·        плотность мощности светового потока (W), определяется по формуле: W = мощность излучения (мВт) / площадь светового пятна (см²);

·        энергия излучения (E), рассчитывается по формуле: мощность (Вт) х время (с); измеряется в джоулях (Дж);

·        плотность энергии, рассчитывается по формуле: энергия излучения (Дж) / площадь светового пятна (см²); измеряется в Дж/см².

Существует большое количество классификаций лазерных излучателей. Представим наиболее значимые в практическом отношении. 

 

Классификация лазеров  по техническим характеристикам

I. По  типу рабочего вещества

1.      Газовые. Например, аргоновый, криптоновый, гелий-неоновый, CO₂-лазер; группа эксимерных лазеров.

2.      Лазеры на красителях (жидкостные). Рабочее вещество представлено органическим растворителем (метанол, этанол или этилен-гликоль), в котором растворены химические красители, такие как кумарин, родамин и др. Конфигурация молекул красителя определяет рабочую длину волны.

3.      Лазеры на парах металлов: гелий-кадмиевый, гелий-ртутный, гелий-селеновый лазеры, лазеры на парах меди и золота.

4.      Твердотельные. В данном типе излучателей в качестве рабочего вещества выступают кристаллы и стекло. Типичные используемые кристаллы: иттрий-алюминиевый гранат (YAG), иттрий-литиевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Сплошной материал, как правило, активируется добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Примеры наиболее распространенных вариантов — Nd:YAG, титан-сапфир, хром-сапфир (известный также как рубин), легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAl), Er:YLF и Nd: glass (неодимовое стекло).

5.      Лазеры на основе полупроводниковых диодов. В настоящее время по совокупности качеств являются одними из наиболее перспективных для использования в медицинской практике.

II. По  способу накачки лазера, т.е. по пути перевода атомов рабочего вещества в возбужденное состояние

·       Оптические. В качестве активирующего фактора используется электромагнитное излучение, отличное по квантовомеханическим параметрам от того, которое генерирует аппарат (другой лазер, лампа накаливания и др.)

·       Электрические. Возбуждение атомов рабочего вещества осуществляется за счет энергии электрического разряда. 

·       Химические. Для накачки этого вида лазеров используется энергия химических реакций.

III. По  мощности генерируемого излучения

·       Низкоинтенсивные. Генерируют мощность светового потока порядка милливатт. Применяются для проведения физиотерапии.

·       Высокоинтенсивные. Генерируют излучение с мощностью порядка ватт. В стоматологии применяются достаточно широко и могут быть использованы для препарирования эмали и дентина, отбеливания зубов, хирургического воздействия на мягкие ткани, кость, для литотрипсии.

Некоторые исследователи  выделяют отдельную группу лазеров  средней интенсивности. Эти излучатели занимают промежуточное положение  между низко- и высокоинтенсивными и используются в косметологии. 

 

Классификация лазеров  по области практического применения

·       Терапевтические. Представлены, как правило, низкоинтенсивными излучателями, используемыми для физиотерапевтического, рефлексотерапевтического воздействия, лазерной фотостимуляции, фотодинамической терапии. К этой группе можно отнести диагностические лазеры.

·       Хирургические. Высокоинтенсивные излучатели, действие которых основано на способности лазерного света рассекать, коагулировать и аблировать (выпаривать) биологическую ткань.

·       Вспомогательные (технологические). В стоматологии применяются на этапах изготовления и ремонта ортопедических конструкций и ортодонтических аппаратов.  

 

Классификация высокоинтенсивных  лазеров, используемых в стоматологии

Тип I: Аргоновый лазер, используемый для препарирования и отбеливания  зубов.

Тип II: Аргоновый лазер, применяемый  при операциях на мягких тканях.

Тип III: Nd: YAG, CO2, диодные лазеры, применяемые при операциях на мягких тканях.

Тип IV: Er: YAG-лазер, предназначенный для препарирования твердых тканей зуба.

Тип V: Er, Cr: YSGG-лазеры, предназначенные для препарирования и отбеливания зубов, эндодонтических вмешательств, а также для хирургического воздействия на мягкие ткани. По химической структуре рабочее вещество представляет собой иттрий-скандий-галлиевый гранат, модифицированный атомами эрбия и хрома. Рабочая длина волны данного типа излучателей 2780 нм (рис. 2). Среди хирургических аппаратов в силу своей универсальности и высокой технологичности различные модификации YSGG-лазера наиболее популярны хотя и дорогостоящи. 

 

 

 

Рисунок 2. Лазерная стоматологическая установка Waterlase MD (Biolase). Работает на основе Er,Cr: YSGG – излучателя, длина волны 2780 нм, максимальная средняя мощность составляет 8 Вт. Применяется для препарирования твердых тканей зуба, эндодонтических вмешательств, операций на мягких и костных тканях челюстно-лицевой области. Наконечник для лазерного препарирования твердых тканей зуба снабжен системой бестеневой подсветки, включающей излучение сверхъярких светоизлучающих диодов (LED), а также системой подачи охлаждающей водно-воздушной смеси. Панель управления обладает удобной сенсорной навигацией, работает на основе операционной системы Windows CE. 

 

В зависимости  от временного распределения мощности светового потока выделяют следующие  виды лазерного излучения:

·        непрерывное

·        импульсное

·        модулированное.

Графически зависимость  мощности от времени для каждого  из видов излучения, указанных выше, представлена на рис. 3. 

 

 

 

Рис. 3. Виды лазерного излучения 

 

Отдельная разновидность  импульсного излучения — Q-switch излучение. Особенность его заключается в том, что каждый импульс длится наносекунды, в то время как биологическая ткань воспринимает импульсы продолжительностью более миллисекунды. В результате термическое действие света ограничивается только местом облучения и не распространяется на окружающую ткань.

В спектральный диапазон лазеров, применяемых в медицине, входят практически  все существующие области: от ближней  ультрафиолетовой (γ=308 нм, эксимерный лазер) до дальней инфракрасной (γ = 10600 нм, сканер на основе СО₂- лазера).    

 

Применение лазеров  в стоматологии

В стоматологии лазерное излучение  прочно заняло достаточно обширную нишу. На кафедре ортопедической стоматологии БГМУ проводится работа по изучению возможностей применения лазерного излучения, которая  охватывает как физиотерапевтические и хирургические аспекты действия лазера на органы и ткани челюстно-лицевой области, так и вопросы технологического применения лазеров на этапах изготовления и ремонта протезов и аппаратов. 

 

Низкоинтенсивное  лазерное излучение

Механизм реализации терапевтического эффекта низкоинтенсивного лазерного  излучения на разных уровнях организации  биологических систем можно представить  следующим образом:

На атомно-молекулярном уровне: поглощение света тканевым фотоакцептором → внешний фотоэффект → внутренний фотоэффект и его проявления:

·        возникновение фотопроводимости;

·        возникновение фотоэлектродвижущей силы;

·        фотодиэлектрический эффект;

·        электролитическая диссоциация ионов (разрыв слабых связей);

·        возникновение электронного возбуждения;

·        миграция энергии электронного возбуждения;

·        первичный фотофизический эффект;

·        появление первичных фотопродуктов.

На клеточном  уровне:

·        изменение энергетической активности клеточных мембран;