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高精度激光疗法正在革新口腔医学界

来源:BioPhotonics    发布时间:2018-10-26 11:20:51    点击量:
 

                                    High-Precision Laser Therapy Transforms Dentistry

                                             高精度激光疗法正在革新口腔医学界

BioPhotonics
Sep 2018

 

激光技术在口腔医学界的进展,奠定了从过去反应性治疗到将来预防性治疗的文化概念转变的基础。

BEN FISHER AND TIM KILLEEN, 大通激光.

自十九世纪后叶,牙钻已成为口腔医学的基石。然而,随着口腔医生职责的持续扩展——几十年来学术研究带来的高性价比、高可靠性、安全的激光技术的发展——一场口腔领域的变革正在到来。基于激光技术的成像、疼痛管理、以及疾病预防设备形成了一个交汇点,这里主要操作工具的转变使得牙科专业成为现代预防医学的典范。         

牙科医生通常在发现白斑病变(蛀牙早期)时,不愿意使用电钻或其它工具进行处理,因为工具的局限性使他们无法在这个阶段介入,否则很多健康牙齿可能在这个过程中受到损坏。医用激光用于牙科于二十世纪九十年代进入市场。一开始使用的是掺钕-钇铝石榴石激光器(Nd:YAG Laser)。它们的工作波长为1.064µm,体积庞大、价格高昂,对软组织具有一些处理能力,而对硬组织的功效极少甚至没有。这些牙科软组织系统在引入10.6µmCO2 Laser后,因其快速治愈和止血切割性能而得到提升,因为CO2激光器波长超过了红细胞平均7µm的直径。

尽管如此,这些光波只是替代了手术刀。口腔医学尚需一个对全组织有效的方案;这促成了2.94µm波长的掺铒-钇铝石榴石激光器(Er:YAG Laser)的引入。水对这个波长特有的吸收性能使激光器首次可以完全处理口腔医学领域中的软、硬组织问题(如图11。然而,水中能量吸收引起的相变继而引发的膨胀气体微爆破虽然能消融硬组织,但对处理牙齿的剩余表面尚存许多有待改进之处。



Figure 1. Correlation of material absorption coefficient and laser wavelength; both axes are exponential1. Courtesy of Daniel Fried/University of California, San Francisco.

1. 材质吸收系数和激光波长的相互关系;采用双对数坐标系1。数据由加州大学旧金山分校的Daniel Fried提供。



   牙釉质和牙本质(图2)主要由碳酸根羟基磷灰石组成,分别为96%85%(重量比)。如果产生任何直接的消融,所使用的激光波长必须对这种矿物复合体具有高吸收系数。在2005年研发发现,CO2激光器(在波长9.3µm并且脉冲宽度微秒级别)非常适合牙釉质、牙本质和骨骼消融并且灼伤最小2。因为对羟基磷灰石同时具有吸收系数高和热弛豫时间短的特性,DL-500 9.3µm激光器满足了牙科激光器的所有需求——保护牙髓升温不超过5.5°C并避免牙齿的血管和神经受到损伤。通过这种以光学机制为主的方法进行牙釉质和牙本质的消融,而不是基于水或机械方式,可以使健康牙釉质和牙本质形成微裂纹的潜在几率下降超过46个百分点3


Figure 2. The labeled anatomy of a human tooth. Courtesy of Heath Brantley.

2. 人体牙齿解剖图标示。由Heath Brantley提供。




坚持医患互动是转向预防性口腔医学的必须步骤,并且是增强牙齿健康的有效途径。有时候这受到牙医恐惧症的妨碍,但新一代CO2激光器解决了这种恐惧,因为它们减少了90%的麻醉,并消除了传统牙钻令人痛苦的振动。对于高敏感的患者,可以实施另一种低能级激光的治疗形式(或称光生物调节疗法)。将目标区域沐浴在0.6~1µm的激光中,患者报告有止痛效果,增进细胞新陈代谢,并减轻组织炎症。无须使患者口腔麻醉,并减轻肿胀和流血,激光牙科可以执行多象限治疗,从而使牙医可以在一次出诊时处理口腔的多个区域。

成像技术的进步使口腔医生具备创建细节准确到微米分辨率的三维计算机模型的能力,从而有信心在形成白斑病变的早期阶段就采取行动。为了达成这个目标,使用近红外激光器(NIR Laser)可以生成一个牙齿结构水密度细节的点图。

   
当出现去矿化时,密度较低空腔含水比率比健康结构高。可以使用适当的激光达到准确的位置和深度,除去受损组织,同时保存周围健康结构。这是一个重要的差别,因为牙医在使用传统的X射线成像时可能很容易把自然存在组织误判为白斑病变。在1.88µm高损伤对比度下,一台双近红外成像仪加9.3µm CO2消融激光器系统可以用来选择性去除龋病变,而健康牙釉质的平均损失仅为12µm4。因此相对机械牙钻,在激光器带来的准确性基础上,计算机导引扫描系统又为口腔医生如虎添翼地提供了额外的精度(图34 

                            

 



Figure 3. 3D surface imaged with co-polarization optical coherence tomography (CP-OCT). 3D preablation surface (a); 3D post-ablation surface (b); pre-/post-ablation surface 3D registered to determine volume of tissue removed (c). See reference 4. Courtesy of Daniel Fried/University of California, San Francisco.

3. 使用共极化光学相干断层摄影术(CP-OCT)得到的三维表面成像。消融前三维表面(a);消融后三维表面(b);消融前后三维表面比对以确定被去除的组织的体积(c)。见参考文献4。由加州大学旧金山分校的Daniel Fried提供。




未来的牙医工作站不仅是把现有的工具简单的替换成高精度激光替代产品,还将集成新的流程以进一步提供预防性措施。例如使用9.3µm激光器以很低的能量密度仅仅升高表面温度使羟基磷灰石释放碳酸根键,取代牙齿硬组织的消融。这一牙釉质的晶体变化产生一层致密的更为耐酸的膜。这一转化使牙釉质的耐酸性增加87%5

   
对于已经形成龋齿的患者,9.3µm牙科激光器在填充镶嵌材料时为预备牙釉质和牙本质提供独有的优势。传统地,在使用高速牙钻祛除龋组织时,会形成一层玷污层,其微粒物质会覆盖在牙齿表面;这会降低粘合剂的强度。为了去除玷污层,露出牙本质小管,敷以粘合材料,需使用35%的磷酸进行酸洗。然而,这一操作的副作用是:使原本健康的结构遭受深达20µm的去矿化作用。在填入复合材料后,这可能引起二次感染6。相反地,激光可以产生一个平滑干净的表面以便完美粘合到显露出来的牙本质小管上(图47

                                 

 



Figure 4. Imaging of the dentin surface using a scanning electron microscope after laser preparation. The holes are dentin tubule openings to which dental resins can fill and create strong bond strengths. See reference 7. Courtesy of Scientific World Journal.

4. 激光预处理后在电子显微镜下的牙本质表面图像。这些孔是开放的牙本质小管,可以填入口腔用树脂并产生牢固的粘合强度。见参考文献7。由科学世界杂志提供。



当慢性恶化发展为需要拔除牙齿时,9.3µm牙科激光器也为植牙做好了非同一般的预备。通常,当一颗牙齿被拔掉时,需要进行特殊处理以确保皮质袋内的纤维物质被清理干净。解剖刀和刮刀可以完成这些工作,但只有激光器可以制造微孔,刺穿皮质骨,让血液流入移植部位。这将大大增加成骨细胞对植入螺丝的钛螺纹的贴附率,大大增加成功率并降低感染的可能性。

随着全球老龄化的加速和生命的延长,牙齿脱落病例相应增长,激光的杀菌效用在口腔修复领域里也正在日益显露。人体组织会因遍及全美的II型糖尿病而恶化。为了改善牙齿脱落患者的生活质量,口腔修复科医师使用钛螺丝固定桥冠。然而,14.4%的患者会经历种植牙周围发炎,这是一种具有破坏性的炎症,会影响植入牙齿周围的软硬组织,减弱种植牙的附着强度并造成骨密度损失8

当刚加工过的钛暴露在空气里,金属表面会发生氧化和变形,使之不再亲水。这就使纤维性附着物和成骨细胞刺激物粘在疏水表面,引起疼痛并萌发感染性疾病。口腔医生看到病人从别处接受治疗但无法控制原先被植入的牙齿的情况时,他们可以用9.3µm 激光器对螺丝表面开放皮瓣或闭合皮瓣去污。临床研究中,CO2激光器在为种植体表面以及使用自体骨或移植材料填充的骨骼去污方面表现出正面效果;这为口腔种植带来了长期的成功9

从疼痛管理、全组织手术、预防和术后照顾到3D定制种植体植入,一台未来的一体化牙医工作站只需要再集成一个要素就能最大程度发挥其潜能-----就是使用一台近红外成像系统映射患者的牙齿,识别出需要采取行动的区域,使用一套软件程序把这一切配合在一起。关键之处可以是一个中等水平的人工智能界面,可以进行半自动操作,由牙医完成重要决定和特定时刻,就如同现代商用飞机基本上是自动的,仅在飞行计划中的特别挑战之处需要人员干涉一样。

口腔医学的将来会有更多自动化流程,口腔医生在流程中提供上层决策,由机器执行组织处理的传统任务。通过使用前文提及的近红外成像技术,可以建立精确点图,并以十分之一微米的尺度标示需处理的区域,这比传统祛龋精度要高若干量级。

达成这个目标并实现潜在的预防性口腔科学需要学术和专业机构翻天覆地的革新。对于从业牙医而言,当保险公司更新他们的记账代码来反映这些革新设备所带来的财政和社会进步时,就能从中获益了。

使用9.3µm牙科激光器的牙医工作站有助于营造一个安全、高效、病人易于接受的牙科诊所。它们也应该被广泛普及,并具有紧凑、方便牙医学习使用的特点。

提供5~25µs宽度的脉冲可以产生1~15mj的能量,可以安全有效地消融硬组织,同时完成特别的软组织工作。如此光源将成为下一代工作站的核心并协助重新定义看牙经验,从可怕的繁重的杂务,而快速、无痛的检查来维持牙齿健康的和清洁。

Meet the authors

Ben Fisher is an applications and sales engineer at Access Laser. He has a master’s degree in physics from the University of Washington; email: bfisher@accesslaser.com.

Ben FisherAccess Laser的应用销售工程师,他是华盛顿大学毕业的物理学硕士,邮箱地址:bfisher@accesslaser.com

Tim Killeen is sales and marketing manager at Access Laser. He has a bachelor’s degree in electrical engineering; email: tkilleen@accesslaser.com.

Tim KilleenAccess Laser的销售和市场经理,他是电子工程学学士,邮箱地址:tkilleen@accesslaser.com

References 

1. J.D.B. Featherstone et al. (2001). Fundamental interactions of lasers with dental hard tissues. Medical Laser Application, Vol. 16, Issue 3, pp. 181-194.

2. D. Fried (2005). Laser processing of dental hard tissues. Proc SPIE, Vol. 5713, pp. 259-269.

3. L.H. Maung et al. (2010). Near-IR imaging of thermal changes in enamel during laser ablation. Proc SPIE, Vol. 7549.

4. K. Chan et al. (2018). Selective ablation of carious lesions using an integrated multispectral NIR imaging system and a novel 9.3-µm CO2 laser. Proc SPIE, Vol. 10473.

5. P. Rechmann et al. (2011). Caries inhibition in vital teeth using 9.6-mm CO2 laser irradiation. J Biomed Optics, Vol. 16, Issue 7.

6. A. Moritz (2018). Latest scientific results in dental hard tissue preparation. Academy of Laser Dentistry Conference.

7. M.A. Al-maliky et al. (2014). The effects of CO2 laser with or without nanohydroxyapatite paste in the occlusion of dentinal tubules. Sci World J, Vol. 2014.

8. G. Romanos et al. (2009). The use of CO2 laser in the treatment of peri-implantitis. Photomed Laser Surg, Vol. 27, Issue 3.

9. G. Romanos et al. (2008). Regenerative therapy of deep peri-implant infrabony defects after CO2 laser implant surface decontamination. Int J Periodontics Restorative Dent, Vol. 28, Issue 3, pp. 245–255

 

杂志原文浏览:https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=63797&PID=1&VID=150&IID=1018

英文版本下载:http://www.accesslaser.cn/?Down870/87.html

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