Er：YAG激光脈寬對牙硬組織消融特性影響的研究*

崔慶哲，楊經緯，凌　琳，程庭清，吳先友，江海河，3*

（1.中國科學院合肥物質科學研究院醫學物理與技術中心，安徽合肥230031；2.中國科學技術大學，安徽合肥230031；3.中國科學院安徽光學精密機械研究所，安徽合肥230031；4.中國科學院合肥物質科學研究院腫瘤醫院，安徽合肥230031）

Er：YAG激光脈寬對牙硬組織消融特性影響的研究*

崔慶哲1，2，楊經緯1，凌琳4，程庭清1，吳先友1，江海河1，3*

（1.中國科學院合肥物質科學研究院醫學物理與技術中心，安徽合肥230031；
2.中國科學技術大學，安徽合肥230031；3.中國科學院安徽光學精密機械研究所，安徽合肥230031；4.中國科學院合肥物質科學研究院腫瘤醫院，安徽合肥230031）

研究了Er:YAG激光消融離體牙本質過程中激光脈寬對消融閾值、消融深度以及消融后牙硬組織微結構的影響。使用50 μs到1 ms脈寬的Er:YAG激光對人牙本質在無噴水冷卻下消融實驗，通過體式光學顯微鏡觀察樣品消融切口進而測量消融坑洞深度，利用掃描電鏡（SEM）觀察消融后牙本質的形態。實驗結果表明，隨著激光脈寬的增加，Er:YAG激光對人牙本質的消融閾值、消融深度呈現逐漸增大的趨勢，同時還觀察到高能量密度消融實驗中牙小管封閉以及牙本質熔融現象。該實驗結果對了解Er:YAG激光消融牙硬組織的微觀過程及牙科治療應用具有參考價值。

Er:YAG激光；脈寬；牙本質；消融閾值

doi:10.3969/j.issn.1007-7146.2015.04.007

0　引言

2.94μm的Er:YAG激光在消融牙本質的過程中，能夠被牙硬組織中的水和羥基磷灰石強吸收［1-5］。與1.064 μm的Nd:YAG激光和10.6 μm的CO2激光相比，Er:YAG激光消融牙硬組織所產生的熱副效應小，可以有效避免牙髓的不可逆損傷，是新一代的現代牙科醫療手段［6-8］。在Er:YAG激光消融牙本質的過程中，激光的脈沖能量、脈沖寬度、重復頻率、照射距離等眾多激光參數都影響著消融效果［9-11］，其中脈寬是決定激光與物質相互作用結果的主要因素之一［12］，尤其會對消融過程中熱擴散的效果產生影響［13，14］。

激光消融是激光與生物組織相互作用的過程，不僅與激光參數有關，而且還與消融組織有關。不同生物組織在激光消融過程中具有一定的差異性，會影響激光消融效果。國外已有文獻對不同脈寬下Er:YAG激光的牙本質消融效果進行了報道，而國內相關研究報道較少，對中國人牙齒消融這一問題的既有研究有待進一步的深化。Nishimoto等人［15］研究了噴水冷卻下40 J/cm2的Er:YAG激光消融牙本質，指出消融坑洞的深度隨著脈寬的增加而增大，被消融牙本質的表面形貌并不隨脈寬的增加而改變。Camerlingo等人［16］研究了噴水冷卻下不同脈寬的Er:YAG激光消融牙本質，指出脈寬會影響消融坑洞的微結構與化學組成。在實際應用Er:YAG激光消融牙本質時，能量密度大于40 J/cm2，針對這種情形下，研究無噴水冷卻下Er:YAG激光脈寬對牙本質消融效果的影響。

以人離體牙齒為實驗對象，使用50 μs、100 μs、250 μs、500 μs、1 ms五種脈寬的Er:YAG激光輻照牙本質樣品，在輻照過程中逐漸增大能量密度，測量不同脈寬下的消融閾值，并且獲得消融坑洞的消融深度隨能量密度的變化關系，實驗過程中沒有使用噴水冷卻。使用不同脈寬的Er:YAG激光在相同能量密度下消融組織樣品，通過掃描電鏡（SEM）觀察了脈寬對于消融后坑洞微結構的影響。實驗結果表明:Er:YAG激光消融牙本質的消融閾值、消融深度都會隨著脈寬的增加而增加。

1　材料與方法

本實驗選用離體的人恒磨牙作為實驗材料。去除軟組織后，從牙頸部斷開，棄去牙根，用慢速金剛鋸沿牙體長軸將牙切成兩個部分，切割過程中噴水冷卻。牙本質暴露后，利用180目砂紙刮擦牙本質表面，使其表面平滑，制成牙本質牙塊，保存樣品于生理鹽水（濃度為0.9%的NaCl溶液）中，并在一個月之內使用。激光消融實驗前，將牙本質牙塊洗凈并放置在空氣中干燥10到20 min。

實驗裝置如圖1所示，從激光器中輸出的激光束經過45°全反射，再經過聚焦鏡（f=50 mm）聚焦，垂直入射到樣品表面，在測量閾值時形成直徑為290.7 μm的光斑，測量消融坑洞深度與觀察消融坑狀微結構時形成直徑為727.3 μm的光斑。樣品置于二維移動平臺上，樣品表面在聚焦鏡焦點附近。實驗光源為脈沖Er:YAG激光，波長為2.94 μm，脈寬可調為50 μs、100 μs、250 μs、500 μs、1 ms。本實驗中脈沖頻率為2 Hz，輻照位點的脈沖數為10次，實驗在脈沖能量和重復頻率一定的情況下，改變脈寬進行對比實驗，實驗過程中不使用噴水冷卻。

圖1　實驗裝置示意圖Fig.1　Schematics of the experiment setup

2　結果

2.1消融閾值測量

本文就不同脈寬的Er:YAG激光消融牙本質的消融閾值進行了初步探討。由于牙齒的生物組織存在一定的差異，很難將組織的消融發生率控制到百分之百，因此本文采用80%消融發生率定義為激光消融閾值，較符合實際情況［17］。

圖2　Er：YAG激光消融牙本質的掃描電鏡照片Fig.2　SEM images for the Er：YAG laser of the ablation of dentin

在50 μs激光脈寬的情況下，使用不同能量密度Er:YAG激光輻照組織樣品，通過掃描電鏡（SEM）觀察不同能量密度下激光消融樣品組織產生的形態變化。當能量密度為2.80 J/cm2時，有消融痕跡產生，如圖2（a）所示。當能量密度為3.92 J/cm2時，出現清晰的消融痕跡，產生小的局部消融，如圖2（b）所示。當能量密度為4.6 J/cm2時，出現顯著的消融痕跡，如圖2（c）所示，且樣品組織表面消融的概率超過80%。因此，定義50 μs脈寬的Er:YAG激光對牙本質的消融閾值范圍為3.92 J/cm2～4.60 J/cm2。實驗獲得了50 μs、100 μs、250 μs、500 μs、1 ms脈寬的Er:YAG激光對牙本質的消融閾值范圍，各脈寬的消融閾值范圍如表1所示。其中，250 μs脈寬的Er: YAG激光對牙本質的消融閾值范圍4.53 J/cm2～5.12 J/cm2；1 ms脈寬的Er:YAG激光對牙本質的消融閾值范圍為5.95 J/cm2～6.37 J/cm2。

表1　Er：YAG激光消融牙本質的消融閾值范圍Tab.1　The range of ablation threshold for the Er：YAG laser of the ablation of dentin

由上述結果可知，隨著脈寬的增加，Er:YAG激光消融牙本質的消融閾值在逐漸增加，但增加較為緩慢，大約在4 J/cm2附近變化。

2.2消融深度測量

在能量密度超過消融閾值時，Er:YAG激光脈沖寬度對消融牙本質的坑洞深度、表面形態、坑洞微結構都有影響。實驗中Er:YAG激光消融牙本質的能量密度控制在臨床治療范圍之內，五種脈寬的Er: YAG激光能量密度從74.85 J/cm2到898.19 J/cm2，激光頻率為2 Hz，作用脈沖總數為10次。實驗得到的不同脈寬下消融坑洞的消融深度隨能量密度的變化曲線如圖3所示。

圖3　不同脈寬Er：YAG激光消融牙本質的坑洞深度與能量密度的關系曲線Fig.3　The curve of the relationship between the ablation depths and energy densities under different pulse widths of Er：YAG laser

圖4　五種不同脈寬Er：YAG激光消融牙本質的坑洞深度與能量密度的理論曲線Fig.4　The curve of the relationship between the ablation depths and energy densities for Er：YAG laser with five different pulse widths

從圖3中可以看出，在相同脈寬條件下，消融坑洞深度隨著Er:YAG激光能量密度增加而增大。在相同能量密度條件下，消融坑洞深度隨Er:YAG激光脈寬增加而增大。已有相關文獻報道了Er:YAG激光消融牙本質時消融深度隨能量密度的變化關系。Majaron［13］等指出如果激光消融深度與熱擴散半徑遠小于激光光束半徑時，消融過程可以被視為一個一維的過程。并且獲得了相關消融模型:

h（F）為不同能量密度下的消融深度，μ′為消融坑洞中的激光消光系數，ha為牙本質的比熱，Sp為光束橫截面積，S（F）是彈坑橫截面積，F1為消融閾值。

圖5　不同脈寬Er：YAG激光消融牙本質的電鏡照片Fig.5　SEM images for different pulse durations of Er：YAG laser of dentin

根據上述公式得到五種不同脈寬的Er:YAG激光消融牙本質的坑洞深度隨能量密度變化關系的理論曲線，如圖4所示。由圖3與圖4比較可知，本文消融深度隨能量密度變化關系的趨勢與文獻［13］中給出的相關模型基本一致。當能量密度在100 J/cm2到600 J/cm2范圍內時，消融深度與能量密度基本呈線性關系。

Er:YAG激光消融牙本質過程中，可以通過在同一能量密度下增加脈寬來提高消融深度，激光脈寬的增大會影響牙本質消融坑洞的微結構。

2.3消融坑狀微結構

實驗研究了不同激光脈寬對牙本質消融坑洞微結構的影響。當能量密度為74.85 J/cm2，用脈寬為50 μs、100 μs、250 μs的Er:YAG激光消融牙本質時，消融坑洞產生魚鱗狀的粗糙側面，未見表面碳化、熔融以及碎屑的產生，底部牙小管完全開放，如圖4（a）～（c）所示。當脈寬為500 μs時，消融坑洞同樣產生魚鱗狀的粗糙側面，未見表面碳化、熔融以及碎屑的產生，底部牙小管部分開放，如圖4（j）～（l）所示。當脈寬為1 ms時，消融坑洞同樣產生魚鱗狀的粗糙側面，坑洞邊緣出現輕微碳化，底部牙小管完全封閉，如圖5（m）～（o）所示。

圖6　不同能量密度Er：YAG激光消融牙本質的電鏡照片Fig.6　SEM images for different energy densities of Er：YAG laser of dentin

使用脈寬為1 ms的Er:YAG激光對牙本質牙塊進行消融。當能量密度為74.85 J/cm2，消融坑洞的側壁以及底部未見有熔融現象，如圖5（a）～（c）所示。當能量密度增加至149.70 J/cm2，消坑洞的側壁出現熔融現象，底部未見熔融現象，如圖6（d）～（f）所示。當能量密度增加至449.10 J/cm2，消融坑洞的側壁以及底部同時出現熔融現象，如圖6（g）～（i）所示。因此在激光消融對損傷程度不同的患牙應該選擇不同脈寬和不同能量密度的激光，對損傷比較嚴重，牙髓表面牙本質較薄的患牙，應以較窄脈寬與較低能量密度激光治療。

3　結論

我們采用50 μs、100 μs、250 μs、500 μs、1 ms五種脈寬的Er:YAG激光分別對人體牙本質進行了消融實驗，獲得了人體牙本質在五種脈寬情況下Er: YAG激光的消融閾值范圍，分別為3.92 J/cm2～4.60 J/cm2、4.46 J/cm2～5.04 J/cm2、4.53 J/cm2～5.12 J/cm2、5.42 J/cm2～5.81 J/cm2和5.95 J/cm2～6.37 J/cm2，Er:YAG激光對樣品組織消融閾值隨著脈寬增大而增加。使用能量密度74.85 J/cm2到898.19 J/cm2的五種脈寬的Er:YAG激光分別對牙本質進行了消融實驗，得到了不同脈寬下消融坑洞的消融深度隨能量密度的增長趨勢。實驗研究了不同激光脈寬對牙本質消融坑洞微結構的影響，發現了高能量密度消融時牙小管封閉以及牙本質熔融現象。在實際醫療應用中，針對患牙損傷程度應選取不同脈寬與能量密度的Er:YAG激光，以便在提高消融深度的同時有效避免損傷的發生。但如何針對不同種類患牙如何進行定量的脈寬與能量密度的選擇，需要進一步開展實驗研究。

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A Study on the Effect of Pulse Duration of Er:YAG Laser on Dentin Ablation

CUI Qingzhe1，2，YANG Jingwei1，LIN Ling4，CHENG Tingqing1，WU Xianyou1，JIANG Haihe1，3*
（1.Center of Medical Physics and Technology，Hefei Institutes of Physical Science，China Academy of Science，Hefei 230031，Anhui，China；2.University of Science and Technology of China，Hefei 230031，Anhui，China；3.Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，Anhui，China；4.Cancer Hospital，Hefei Institutes of Physicals Science，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230026，Anhui，China）

The influence of pulse length on Er:YAG laser ablation of hard dental tissue during ablation，especially in the aspect of the ablation threshold and ablation rate and the microstructure were studied.Er:YAG laser were used with pulse lengths from 50 μs to 1 ms and different energies to ablate dentine samples with no spray cooling.Ablation depth of the hole were measured by observing the ablation incision under optical microscope and apply scanning electron microscope to observe morphology changes of dentin after irradiation.Results show that with the increase of pulse length，Er: YAG laser ablation threshold of dentin and the ablation depth of the hole showed a trend of increasing gradually.The re-sults of the experiment show that the increase of pulselength and energy density can make the occlusion of tooth tubular and melt dentine gradually.People should choose appropriate pulselength and energy density of Er:YAG laser in practical treatment，which can reduce the damage.

Er:YAG laser；pulse width；dentin；ablation threshold

R318.51

A

1007-7146（2015）04-0341-07

2014-10-19；

2015-05-20

國家自然科學基金（61275118）；國家自然科學基金委員會和中國工程物理研究院聯合基金（U1230131）；中國科學院戰略性先導科技專項（XDA0804010902）

崔慶哲（1992-），男，山東聊城人，碩士研究生，主要從事激光技術方面的研究。（電子郵箱）cuiqingzhe@ 126.com

江海河（1961-），男，博士生導師，研究員，碩士，主要從事激光醫療、半導體激光技術及應用等方面的研究。（電子郵箱）hjiang@aiofm.ac.cn