Er∶YAG激光SWEEPS雙脈沖模式激活蕩洗在自由水域中的氣泡動力學觀測

何新宇 李依洲 聶銘遠 于悅 陳浩天 潘翀 趙繼志

根管治療術是治療牙髓病的首選方法,通過高效的化學預備完善清理根管系統中感染物質是治療過程中的重要步驟[1]。隨著鉺激光激活蕩洗技術不斷被開發,其中光子引導的光聲流效應(photon-induced photoacoustic streaming, PIPS)技術已經被學者們從多個角度證實具有良好的根管化學消毒能力,且清理效率優于傳統沖洗針及超聲激活蕩洗[2-7]。 2014 年,有學者提出光聲流同步瞬變(photo acoustic synchronized transients, PHAST)的概念,嘗試使用雙脈沖脈沖串的激光工作模式增強蕩洗的效果,并在在后續的幾年內將這種理念演變成為光子增強的光聲流效應(shock wave enhanced emission photoacoustic streaming, SWEEPS)技術[8-9]。近年來, SWEEPS技術被許多學者進一步研究,并證實可以達到更好的抗感染效果[10-13]。本研究擬通過高速攝像的方式,在自由水域中觀測鉺激光SWEEPS模式雙脈沖形成的蒸汽氣泡間的相互作用關系,為SWEEPS技術的流體動力原理解析以及臨床應用提供直接證據。

1 資料與方法

1.1 研究模型的制備

本研究在體外自由水域模型中進行,該模型為30 mm×30 mm×50 mm的5面長方體,由透明樹脂材料3D打印而成(圖1A)。

圖1 研究方法

1.2 儀器與設備

本試驗選擇波長2 940 nm的Er∶YAG激光器(Fotona,斯洛文尼亞)作為激光發生裝置,裝配牙科專用手柄(H14, Fotona,斯洛文尼亞)9 mm錐形工作尖(型號89036, Fotona, 斯洛文尼亞)。

1.3 激光器參數的復核

連接激光功率計探頭與功率計(上海捷銳企業有限公司),將Er∶YAG激光工作尖固定于功率計傳感器正上方1 cm處。激活Er∶YAG激光,將功率計穩定后的讀數記錄為實際輸出功率。確定Er∶YAG激光功率與實際輸出功率相符。

1.4 Er∶YAG激光實驗參數的設置

Er∶YAG激光蒸汽氣泡動力觀測模型的建立如圖1B。連接Er∶YAG激光器、手具與工作尖,并將工作尖垂直固定于模型中,尖端5 mm置于液面下,保持液面下激活, 產生穩定的氣泡。Er∶YAG激光按照以下參數進行激勵:(1)激光模式設置為超短脈寬模式(super short pulse, SSP),以此作為對照組(脈寬為50 μs),激勵頻率設置為20 Hz,單脈沖能量設置為20 mJ; (2)激光模式設置為X-SWEEPS模式,激勵頻率設置為20 Hz,單脈沖能量設置為20 mJ;脈沖間隔設置為150～600 μs(以50 μs為間隔遞增)。

1.5 蒸汽氣泡動力觀測模型的的建立

高速攝像測量系統的建立如圖2。微測量定位系統保證工作尖初始位置的準確。高速攝像系統(i-SPEED726mono144GB, iX Cameras Ltd,UK)用于捕捉氣泡的形態變化及實際脈沖間隔。該高速攝像系統全畫幅分辨率為2 048×1 536 像素,幀頻為8 512 幀/s(frames per second, FPS),本實驗中選用幀頻為200 000 FPS,即快門時間為5 μs,降低分辨率至280×294 像素。同時,為了進一步觀測液相中清晰的氣泡邊緣形態,在模型背側放置了75 000流明的LED燈(MODEL U-100S, 長沙湖南科天健光電技術有限公司)作為照明系統。

A～C: 第一脈沖蒸汽氣泡膨脹過程; C: 第一脈沖蒸汽氣泡體積最大時圖像; D: 第一脈沖蒸汽氣泡坍塌至中心; E: 第一脈沖蒸汽氣泡坍塌后再次進入膨脹(空泡的振蕩); F: 第二脈沖輸入起始狀態(紅色箭頭所示為第二脈沖蒸汽氣泡形成初期); G～H: 第二脈沖蒸汽氣泡不斷膨脹至最大體積,同時第一脈沖蒸汽氣泡持續震蕩; I～J: 第一脈沖及第二脈沖氣泡不斷振蕩至重新融入水中; K～L: 蒸汽氣泡直徑(D)以及氣泡殘余與工作尖尖端的距離(L)測量方式(以600 μm工作尖作為比例尺進行測量)

1.6 圖像及數據的測量方法

圖2為SWEEPS雙脈沖技術在自由水域中的典型氣泡動力過程,脈沖間隔設置為350 μs,圖2A～2J是一個完整的氣泡脈動過程。圖2C中黃色圈(155 μs)標記是第一脈沖蒸汽氣泡在最大體積時的圖像,此時的氣泡直徑將會被測量,方法如圖2K,以工作尖直徑600 μm作為比例尺測量氣泡直徑(diamter,D)。圖2H中紅色圈為第二脈沖蒸汽氣泡最大體積。圖2F中紅色箭頭標記第二脈沖輸入起始狀態,即375 μs為實際脈沖間隔。 圖2J中紅色線為蒸汽氣泡殘余消失前的最后圖像,此時蒸汽氣泡殘余最遠端距離工作尖尖端的距離(length，L)將被測量，測量方法如圖2L中，同樣以工作尖直徑600 μm作為比例尺進行測量。

1.7 統計與分析

本文使用Graphpad 5.0對蒸汽氣泡最大體積及蒸汽氣泡殘余最遠端距離分別采用單因素方差分析進行統計分析,P<0.05具有統計學差異。

2 結 果

2.1 自由水域中Er∶YAG激光SWEEPS雙脈沖模式形成的蒸汽氣泡圖像特征

實驗發現,當脈沖間隔小于300 μs時,第二脈沖形成的蒸汽氣泡與第一脈沖形成的蒸汽氣泡相融合,不會形成雙氣泡。并且,在自由水域模型中,融合氣泡的體積在不同脈沖間隔間無統計學差異(圖3U)。

A～E、 K～O: 第二脈沖輸入時刻圖像,氣泡下方可以觀測到氣泡根方有不規則的波動(a圖中紅色箭頭所示),表明第二脈沖能量在此時輸入; F～J、 P～T: 第一脈沖蒸汽氣泡最大體積時刻典型圖像。第二脈沖輸入后不會形成蒸汽氣泡,但會使第一脈沖形成的蒸汽氣泡發生變化(b圖中藍色箭頭所示); U: 脈沖間隔在120～300 μs間,不同脈沖間隔下的融合氣泡直徑無統計學差異

在自由水域模型中,當脈沖間隔為320～600 μs間時,第二脈沖輸入形成獨立的蒸汽氣泡(圖4)。隨著脈沖間隔時間的增加(320～480 μs),第一脈沖殘留蒸汽氣泡不斷向根方移動,并且體積逐漸縮小,同時第二脈沖形成的蒸汽氣泡會與第一脈沖殘余蒸汽氣泡間發生碰撞(圖4a～4o)。可以觀測到當脈沖間隔為360～440 μs間時,第二脈沖形成的獨立蒸汽氣泡最大體積明顯縮小(圖4A～4O),這提示20 mJ單脈沖能量的SWEEPS雙脈沖模式,在360～440 μs的脈沖間隔設置時,2 個脈沖形成的蒸汽氣泡間可以發生比較劇烈的碰撞。隨著脈沖間隔時間的繼續增加(500～600 μs),第二脈沖輸入時,第一脈沖蒸汽氣泡的殘余與工作尖尖端距離不斷增加,第二脈沖形成的蒸汽氣泡與第一脈沖形成的蒸汽氣泡間不再發生碰撞,互相脫離。

a-o: 第二脈沖輸入時刻圖像,可以觀測到隨著脈沖間隔的增加,第二脈沖輸入時,第一脈沖蒸汽氣泡殘留不斷向根方移動,并且體積逐漸縮小; A-O: 第二脈沖形成的獨立蒸汽氣泡最大體積時刻典型圖像。當脈沖間隔在320～380 μs間,第二脈沖蒸汽氣泡最大體積逐漸縮小;當脈沖間隔在380～480 μs間,第二脈沖蒸汽氣泡最大體積逐漸增大;脈沖間隔為500～600 μs間,第二脈沖蒸汽氣泡體積基本不變; P: 脈沖間隔與第二脈沖形成的獨立蒸汽氣泡直徑關系統計

2.2 在自由水域中Er∶YAG激光雙脈沖形成蒸汽氣泡的相互作用效果

本實驗使用氣泡碰撞后殘余氣泡游離的最遠端距離來對蒸汽氣泡的相互作用效果進行評估,其變化趨勢如圖5。當脈沖間隔小于320 μs時,蒸汽氣泡殘余最遠端距離無明顯變化。隨著第二脈沖獨立氣泡的出現,第二脈沖與第一脈沖蒸汽氣泡的殘余發生撞擊,推動第一脈沖氣泡殘余最遠端距離增大。當脈沖間隔為360～440 μs間時,氣泡殘余最遠端距離最大,這也提示兩個脈沖形成的蒸汽氣泡間發生的碰撞在此脈沖間隔區間內更加劇烈。隨著脈沖間隔的增加,氣泡殘余最遠端距離逐漸減小,并接近于沒有第二脈沖獨立氣泡的水平(與脈沖間隔為100～320 μs區間時的氣泡殘余最遠端距離相似)。

A-Y: 蒸汽氣泡消失前,氣泡殘余出現在工作尖根方最遠端的圖像。紅色虛線顯示蒸汽氣泡殘余最遠端位置; Z: 氣泡殘余最遠端距離隨脈沖間隔變化趨勢圖,其中當脈沖間隔位于100～320 μs時,氣泡殘余最遠端距離無明顯改變;當脈沖間隔為320～440 μs時,氣泡殘余最遠端距離增大;當脈沖間隔為440～600 μs時,氣泡殘余最遠端距離減小,并逐漸接近于100～320 μs時的距離

2.3 在自由水域中20 mJ單脈沖能量SSP模式下氣泡動力圖像特征

自由水域中, 20 mJ單脈沖能量SSP模式下形成蒸汽氣泡的膨脹周期在150 μs,總周期在270 μs(圖6)。

A: 脈沖能量輸入時刻; B: 蒸汽氣泡體積最大時刻約在150 μs; C: 蒸汽氣泡完全塌縮時刻約在280 μs; D: 蒸汽氣泡消失前時刻(紅色箭頭示殘留的云空泡)

3 討 論

徹底清理根管系統中的感染物一直是牙髓治療的重點和難點。目前,尚未能開發出一種化學預備方式可以對根管系統內的感染進行完美地清理,因此進一步開發激光激活蕩洗技術有著重要的意義[14]。

鉺激光與水之間的作用遵循光學物理定律,波長為2 940 nm的鉺激光可以被OH-基團吸收(μa=1.247×106m-1)[15-16]。當鉺激光工作尖位于蕩洗液中時,輸出的脈沖能量可以被周圍薄層水分子吸收,光能轉化的熱能瞬間可以使水達到沸點,并在工作尖末端形成蒸汽氣泡[7]。SWEEPS技術與PIPS技術的本質區別在于SWEEPS技術將總能量分為2 個一組的脈沖串進行輸出。本研究中觀察了SWEEEPS雙脈沖模式,在脈沖間隔設置100～600 μs間時,形成的蒸汽氣泡動力效果,闡述了自由水域中不同脈沖間隔條件下的蒸汽氣泡相互作用現象。按照圖4的結果,將自由水域中的氣泡間相互作用關系分為以下3 種類型:(1)雙氣泡融合:脈沖間隔位于100～300 μs范圍內時,第二脈沖能量輸入不產生獨立的蒸汽氣泡;(2)雙氣泡撞擊:脈沖間隔位于320～480 μs范圍內時,第二脈沖能量輸入產生獨立蒸汽氣泡,并于第一脈沖的蒸汽氣泡殘余發生碰撞。其中,當脈沖間隔為360～440 μs間時,雙氣泡間產生強烈碰撞;(3)雙氣泡脫離:脈沖間隔位于500～600 μs范圍內時,第二脈沖能量輸入產生獨立蒸汽氣泡,但與第一脈沖的蒸汽氣泡殘余不發生碰撞,相互脫離。

先前Er∶YAG激光雙氣泡模式的研究結果顯示,第二脈沖的輸入可以增強蕩洗效果。部分文章中指出,雙脈沖模式增強蕩洗效果的主要原因有融合蒸汽氣泡體積的增加、以及第二脈沖能量的輸入加速了第一脈沖蒸汽氣泡的破碎[8-9]。本研究中闡述了不同的見解。與先前研究結果相同的是,本研究中也發現了融合蒸汽氣泡體積隨脈沖間隔發生一定的變化。由于自由水域中, 20 mJ單脈沖能量SSP模式下形成蒸汽氣泡的膨脹周期在150 μs,總周期在270 μs,因此,在100～300 μs脈沖間隔設置下,SWEEPS雙脈沖模式形成融合蒸汽氣泡;并且當第一脈沖形成的蒸汽氣泡處于膨脹狀態時(膨脹周期所在的150 μs時間內),輸入第二脈沖,可以觀測到融合氣泡的最大體積具有增加的趨勢,但沒有統計學差異(圖3b,脈沖間隔設置為120 μs時,融合氣泡最大體積時刻,氣泡下方會出現體積增加的現象)。但本研究中沒有觀測到第一脈沖蒸汽氣泡破碎速度增加的現象。本研究中認為雙脈沖模式改變蒸汽氣泡動力的最重要原因不是融合氣泡動力學的改變,而是雙脈沖的輸入可以形成2 個獨立蒸汽氣泡,并且氣泡間會產生相互撞擊。

先前研究中指出,增強蕩洗效果的最佳脈沖間隔時間設置為第一蒸汽氣泡破碎的時候輸入第二脈沖能量,原因為此時輸入第二脈沖能量可以加速第一脈沖形成的蒸汽氣泡發生更強烈破碎[9]。由于本文中認為雙氣泡間的相互撞擊是蕩洗增強的主要原因,所以對最佳脈沖間隔時間設置持不同觀點。本研究認為在第一脈沖形成的蒸汽氣泡坍縮后延時一段時間輸入可能可以獲得更好的蕩洗增強效果。在本研究中,第一脈沖蒸汽氣泡塌縮時間約為300 μs,雙氣泡間產生強烈碰撞的脈沖間隔時間為360～440 μs。但與前人研究結果相同的是,最佳的脈沖間隔時間均與氣泡本身的震蕩周期相關。這就導致不同水域限制性,如前牙髓腔、后牙髓腔及自由水域中,即便其他參數設置完全相同,最佳脈沖間隔設置時間也會有一定的差異,會給臨床最佳參數的設置帶來了一定困難。

4 結 論

本研究的結果提示,在自由水域中, Er∶YAG激光雙脈沖SWEEPS模式在適當的脈沖間隔設置條件下,第二脈沖形成的蒸汽氣泡會與第一脈沖形成的蒸汽氣泡殘余相互碰撞,該現象可能可以增強鉺激光空穴效應,從而強化Er∶YAG激光激活蕩洗的臨床效果。