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大通新聞

高精度激光療法正在革新口腔醫學界

來源:BioPhotonics    發布時間:2018/10/26 11:20:51    點擊量:
 

                                    High-Precision Laser Therapy Transforms Dentistry

                                             高精度激光療法正在革新口腔醫學界

 

雜誌原文瀏覽:https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=63797&PID=1&VID=150&IID=1018

英文版本下載:http://www.wzhwzh.com/?Down870/87.html

 

BioPhotonics
Sep 2018

 

激光技術在口腔醫學界的進展,奠定了從過去反應性治療到將來預防性治療的文化概念轉變的基礎。

BEN FISHER AND TIM KILLEEN, AG在線注冊.

自十九世紀後葉,牙鑽已成為口腔醫學的基石。然而,隨著口腔醫生職責的持續擴展——幾十年來學術研究帶來的高性價比、高可靠性、安全的激光技術的發展——一場口腔領域的變革正在到來。基於激光技術的成像、疼痛管理、以及疾病預防設備形成了一個交匯點,這裏主要操作工具的轉變使得牙科專業成為現代預防醫學的典範。         

牙科醫生通常在發現白斑病變(蛀牙早期)時,不願意使用電鑽或其它工具進行處理,因為工具的局限性使他們無法在這個階段介入,否則很多健康牙齒可能在這個過程中受到損壞。醫用激光用於牙科於二十世紀九十年代進入市場。一開始使用的是摻釹-釔鋁石榴石激光器(Nd:YAG Laser)。它們的工作波長為1.064µm,體積龐大、價格高昂,對軟組織具有一些處理能力,而對硬組織的功效極少甚至沒有。這些牙科軟組織係統在引入10.6µmCO2 Laser後,因其快速治愈和止血切割性能而得到提升,因為CO2激光器波長超過了紅細胞平均7µm的直徑。

盡管如此,這些光波隻是替代了手術刀。口腔醫學尚需一個對全組織有效的方案;這促成了2.94µm波長的摻鉺-釔鋁石榴石激光器(Er:YAG Laser)的引入。水對這個波長特有的吸收性能使激光器首次可以完全處理口腔醫學領域中的軟、硬組織問題(如圖11。然而,水中能量吸收引起的相變繼而引發的膨脹氣體微爆破雖然能消融硬組織,但對處理牙齒的剩餘表麵尚存許多有待改進之處。



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

1. 材質吸收係數和激光波長的相互關係;采用雙對數坐標係1。數據由加州大學舊金山分校的Daniel Fried提供。



   牙釉質和牙本質(圖2)主要由碳酸根羥基磷灰石組成,分別為96%85%(重量比)。如果產生任何直接的消融,所使用的激光波長必須對這種礦物複合體具有高吸收係數。在2005年研發發現,CO2激光器(在波長9.3µm並且脈衝寬度微秒級別)非常適合牙釉質、牙本質和骨骼消融並且灼傷最小2。因為對羥基磷灰石同時具有吸收係數高和熱弛豫時間短的特性,DL-500 9.3µm激光器滿足了牙科激光器的所有需求——保護牙髓升溫不超過5.5°C並避免牙齒的血管和神經受到損傷。通過這種以光學機製為主的方法進行牙釉質和牙本質的消融,而不是基於水或機械方式,可以使健康牙釉質和牙本質形成微裂紋的潛在幾率下降超過46個百分點3


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

2. 人體牙齒解剖圖標示。由Heath Brantley提供。




堅持醫患互動是轉向預防性口腔醫學的必須步驟,並且是增強牙齒健康的有效途徑。有時候這受到牙醫恐懼症的妨礙,但新一代CO2激光器解決了這種恐懼,因為它們減少了90%的麻醉,並消除了傳統牙鑽令人痛苦的振動。對於高敏感的患者,可以實施另一種低能級激光的治療形式(或稱光生物調節療法)。將目標區域沐浴在0.6~1µm的激光中,患者報告有止痛效果,增進細胞新陳代謝,並減輕組織炎症。無須使患者口腔麻醉,並減輕腫脹和流血,激光牙科可以執行多象限治療,從而使牙醫可以在一次出診時處理口腔的多個區域。

成像技術的進步使口腔醫生具備創建細節準確到微米分辨率的三維計算機模型的能力,從而有信心在形成白斑病變的早期階段就采取行動。為了達成這個目標,使用近紅外激光器(NIR Laser)可以生成一個牙齒結構水密度細節的點圖。

   
當出現去礦化時,密度較低空腔含水比率比健康結構高。可以使用適當的激光達到準確的位置和深度,除去受損組織,同時保存周圍健康結構。這是一個重要的差別,因為牙醫在使用傳統的X射線成像時可能很容易把自然存在組織誤判為白斑病變。在1.88µm高損傷對比度下,一台雙近紅外成像儀加9.3µm CO2消融激光器係統可以用來選擇性去除齲病變,而健康牙釉質的平均損失僅為12µm4。因此相對機械牙鑽,在激光器帶來的準確性基礎上,計算機導引掃描係統又為口腔醫生如虎添翼地提供了額外的精度(圖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. 使用共極化光學相幹斷層攝影術(CP-OCT)得到的三維表麵成像。消融前三維表麵(a);消融後三維表麵(b);消融前後三維表麵比對以確定被去除的組織的體積(c)。見參考文獻4。由加州大學舊金山分校的Daniel Fried提供。




未來的牙醫工作站不僅是把現有的工具簡單的替換成高精度激光替代產品,還將集成新的流程以進一步提供預防性措施。例如使用9.3µm激光器以很低的能量密度僅僅升高表麵溫度使羥基磷灰石釋放碳酸根鍵,取代牙齒硬組織的消融。這一牙釉質的晶體變化產生一層致密的更為耐酸的膜。這一轉化使牙釉質的耐酸性增加87%5

   
對於已經形成齲齒的患者,9.3µm牙科激光器在填充鑲嵌材料時為預備牙釉質和牙本質提供獨有的優勢。傳統地,在使用高速牙鑽祛除齲組織時,會形成一層玷汙層,其微粒物質會覆蓋在牙齒表麵;這會降低粘合劑的強度。為了去除玷汙層,露出牙本質小管,敷以粘合材料,需使用35%的磷酸進行酸洗。然而,這一操作的副作用是:使原本健康的結構遭受深達20µm的去礦化作用。在填入複合材料後,這可能引起二次感染6。相反地,激光可以產生一個平滑幹淨的表麵以便完美粘合到顯露出來的牙本質小管上(圖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. 激光預處理後在電子顯微鏡下的牙本質表麵圖像。這些孔是開放的牙本質小管,可以填入口腔用樹脂並產生牢固的粘合強度。見參考文獻7。由科學世界雜誌提供。



當慢性惡化發展為需要拔除牙齒時,9.3µm牙科激光器也為植牙做好了非同一般的預備。通常,當一顆牙齒被拔掉時,需要進行特殊處理以確保皮質袋內的纖維物質被清理幹淨。解剖刀和刮刀可以完成這些工作,但隻有激光器可以製造微孔,刺穿皮質骨,讓血液流入移植部位。這將大大增加成骨細胞對植入螺絲的鈦螺紋的貼附率,大大增加成功率並降低感染的可能性。

隨著全球老齡化的加速和生命的延長,牙齒脫落病例相應增長,激光的殺菌效用在口腔修複領域裏也正在日益顯露。人體組織會因遍及全美的II型糖尿病而惡化。為了改善牙齒脫落患者的生活質量,口腔修複科醫師使用鈦螺絲固定橋冠。然而,14.4%的患者會經曆種植牙周圍發炎,這是一種具有破壞性的炎症,會影響植入牙齒周圍的軟硬組織,減弱種植牙的附著強度並造成骨密度損失8

當剛加工過的鈦暴露在空氣裏,金屬表麵會發生氧化和變形,使之不再親水。這就使纖維性附著物和成骨細胞刺激物粘在疏水表麵,引起疼痛並萌發感染性疾病。口腔醫生看到病人從別處接受治療但無法控製原先被植入的牙齒的情況時,他們可以用9.3µm 激光器對螺絲表麵開放皮瓣或閉合皮瓣去汙。臨床研究中,CO2激光器在為種植體表麵以及使用自體骨或移植材料填充的骨骼去汙方麵表現出正麵效果;這為口腔種植帶來了長期的成功9

從疼痛管理、全組織手術、預防和術後照顧到3D定製種植體植入,一台未來的一體化牙醫工作站隻需要再集成一個要素就能最大程度發揮其潛能-----就是使用一台近紅外成像係統映射患者的牙齒,識別出需要采取行動的區域,使用一套軟件程序把這一切配合在一起。關鍵之處可以是一個中等水平的人工智能界麵,可以進行半自動操作,由牙醫完成重要決定和特定時刻,就如同現代商用飛機基本上是自動的,僅在飛行計劃中的特別挑戰之處需要人員幹涉一樣。

口腔醫學的將來會有更多自動化流程,口腔醫生在流程中提供上層決策,由機器執行組織處理的傳統任務。通過使用前文提及的近紅外成像技術,可以建立精確點圖,並以十分之一微米的尺度標示需處理的區域,這比傳統祛齲精度要高若幹量級。

達成這個目標並實現潛在的預防性口腔科學需要學術和專業機構翻天覆地的革新。對於從業牙醫而言,當保險公司更新他們的記賬代碼來反映這些革新設備所帶來的財政和社會進步時,就能從中獲益了。

使用9.3µm牙科激光器的牙醫工作站有助於營造一個安全、高效、病人易於接受的牙科診所。它們也應該被廣泛普及,並具有緊湊、方便牙醫學習使用的特點。

提供5~25µs寬度的脈衝可以產生1~15mj的能量,可以安全有效地消融硬組織,同時完成特別的軟組織工作。如此光源將成為下一代工作站的核心並協助重新定義看牙經驗,從可怕的繁重的雜務,而快速、無痛的檢查來維持牙齒健康的和清潔。

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的應用銷售工程師,他是華盛頓大學畢業的物理學碩士,郵箱地址: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的銷售和市場經理,他是電子工程學學士,郵箱地址: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

 

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