www.aalz.de

Εισαγωγή στα οδοντιατρικά laser

Καθ. Κοσμάς Τολίδης DDS, MSc, PhD, LSO

Δρ. Δημήτρης Στράκας DDS, MSc, PhD, LSO

Εργαστήριο Οδοντικής Χειρουργικής Κλινική Οδοντιατρικών Εφαρμογών Laser και Μικροσκοπίας

Ηλεκτρομαγνητικό Κύμα

Το ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο, ταλαντώνονται κάθετα προς την κατεύθυνση διάδοσης

r

Κατεύθυνση διάδοσης

Ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα μπορεί να χαρακτηριστεί από τις ακόλουθες τιμές:

• wavelength / μήκος κύματος λ

• frequency / συχνότητα ν

• amplitude / πλάτοςA

Ιδιότητες

Ταχύτητα φωτός

• finiteproof byOle Christensen Römer, 1644-1710

• constant Postulate by Albert Einstein, 1905,

c0 = 299.792.458 m/s

στο κενό

Κβαντική θεωρία / Φάσμα

Μήκος κύματος και συχνότητα συνδέονται με την ταχύτητα διάδοσης

c0 = λ · ν

φως = ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία = φορέας ενέργειας

Ενέργεια του μικρότερου φορέα ενέργειας (Φωτόνιο):

EPhoton = h · ν

Ενέργεια κύματοςEwave = EPhoton · αριθμό φωτονίων

Μήκος κύματος, συχνότητα και ενέργεια συνδέονται με τη σχέση:

Κβαντική θεωρία

με h = 6,6261 · 10-34 Js

Η θεωρία των φωτονίων είναι χρήσιμη για να περιγραφεί η αλληλεπίδραση με την ύλη.

EPhoton = h · ν

Κβαντική θεωρία

με h = 6,6261 · 10-34 Js

φως = ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία = φορέας ενέργειας

Ενέργεια του μικρότερου φορέα ενέργειας (Φωτόνιο):

Απορρόφηση και Εκπομπή

Ea

Eb

ΗλεκτρόνιοΠυρήνας

Φωτόνιο

Εκπομπή

Κατάσταση ηρεμίας Απορρόφηση ενός φωτονίου

Διεγερμένη κατάσταση

Εξαναγκασµένη Εκποµπή

= hν= 2 hν

Ea - Eb = Vab ≡ hν

Ea = Ενέργεια διεγερµένου επιπέδου

Eb = Ενέργεια επιπέδου ηρεµίας

h = σταθερά Planck

= 6,6261 · 10-34 Js

ν = συχνότητα [1/s]

Αυθόρµητη Εκποµπή

= hν

Απορρόφηση

= hν

Απορρόφηση και Εκπομπή

• Πηγή ενέργειας (άντλησης)– Εκκένωση αερίου– Ηλεκτρική– Οπτική

• Ενεργό μέσο– Αέρια– Υγρά– Ημιαγωγοί– Υλικά στερεής κατάστασης

• Οπτική κοιλότητα (Κάτοπτρα)– Υπεύθυνη για το μικρό εύρος ζώνης φάσματος– Υπεύθυνη για την ευθύγραμμη δέσμη

Laser - Βασικές αρχές

L A S E Right mplification by timulated mission of adiation

• Υψηλή φασματική ενέργεια και πυκνότητα ισχύος•Μονοχρωματικότητα• Εκλεκτικότητα

Ε Φ Ε E Ανίσχυση ωτός µέσω ξαναγκασµένης κποµπής κτινοβολίας

• Ευθυγράμμιση• Συνεκτικότητα (συμφασικό)

Laser - Βασικές αρχές

Διακοπτόμενη λειτουργία:

διοδικά laser

Συνεχής λειτουργία (CW):

διοδικά - CO2 laser

CW pulsedΠαλμική λειτουργία:

Er:YAG, Er,Cr:YSGG , Nd:YAG

Laser - Τρόποι λειτουργίας

cw pulsedchopped

Optical resonator

Laser - rod

– HV +

Flash lamp

Housing

Beam

Laser στερεού ενεργού μέσου

Αρθρωτοί βραχίονες

για Er:YAG ή CO2

Μήκος περίπου 1,6 m

Ιδιότητες- Πολύ καλή μετάδοση

- Καλή μηχανική σταθερότητα

- Μετάδοση υψηλών ενεργειών

- Περιορισμένη ευκινησία

Συστήματα μετάδοσης φωτός

Οπτικές ίνεςMήκος περίπου 1-2 m

Ιδιότητες- Καλή ως μέτρια μετάδοση

- Κίνδυνος θραύσης

- Εξαρτάται από το μήκος κύματος. Μέχρι τα 2,5 µm είναι αξιόπιστα και

φτηνά. Για μεγαλύτερα μήκη κύματος απαιτούνται ειδικά υλικά.

- Μεγάλη ευκινησία

Συστήματα μετάδοσης φωτός

Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

Τα laser στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

laser μήκος κύματος διέγερση

•Excimer : 308 nm εκκένωση αερίου

• Argon-Ion : 488 / 514 nm εκκένωση αερίου

• Diode : 445/810/940 /980 nm ηλεκτρική

• Neodymium:YAG : 1064 nm οπτική

• Erbium:YAG : 2940 nm οπτική

• Er,Cr:YSGG : 2780 nm οπτική

•CO2 : 9,6 / 10,6 μm εκκένωση αερίου

Laser- Επισκόπηση

• Erbium:YAG : 2940 nm οπτική

• Er,Cr:YSGG : 2780 nm οπτική

Diode lasers

(445-810- 940-980

Nd:YAG (1064 nm)

Er:YAG (2940 nm)

Er,Cr:YSGG (2780

nm)

CO2 (9,3-10,6

μm)

Hard Tissue

Soft Tissue ☑☑ ☑ ☑ ☑

☑☑☑

NIR (Near infrared)

MIR (Mid infrared)

AALZ Aachen Dental Laser Center

AALZ Aachen Dental Laser Center

Selective Caries Removal

Power Bleaching

Cavity Preparation

Veneer RemovalSoft Tissue Management before cavity preparation

Caries Diagnosis

Ανάκλαση

ΑπορρόφησηΜετάδοσηΣκέδαση

Laser

•Ανάκλαση στην επιφάνεια του ιστού

- Ανάκλαση Fresnel - Διάχυτη ανάκλαση

•Αλληλεπίδραση µε τον ιστό

- Απορρόφηση - Σκέδαση

•Μετάδοση µέσω του ιστού

- Ευθύγραµµη µετάδοση - Διάχυτη µετάδοση

Αλληλεπιδράσεις με τους ιστούς

Tissue

Depth in tissue „x“ / cm

Laser IN Laser out

I0

Exponential decline of intensity!

Definition of penetration depth:

The value, where I has dropped to 1/e of the incident intensity.

Inte

nsity

/ W

/cm

2

Απορρόφηση στους ιστούς

2ω Nd:YAG Nd:YAG Erbium

Water

Hydroxyapatite

Diodes

100

101

102

103

104

105

µ A /

cm-1

0,1 1Wavelength /µm

10

Melanin

Hemoglobine

Protein

CO2

Scattering

3

9,6/10,6 μm

810/940/980 nm2780/2940 nm1064 nm

10-4

10-3

10-2

10-1

Πίνακας απορροφήσεων

Σχέσεις μεταξύ ενέργειας, μέσης ισχύος, ισχύος παλμού και ρυθμού επανάληψης

Peak Power

! Peak Power Power during emission

Pulse Energy

Pulse DurationPulse pause

Average Power

Time / µs

Pavg

PPeak

! Pulse pause Time between 2 pulses (equals 1/repetition rate)

! Pulse Energy Energy of one pulse

! Pulse Duration Duration of a single emission

! Repetition Rate Pulses per second

Pow

er

Μέση Ισχύς:P = E / T = E * f

Ισχύς παλμού:PL = E / t

Ενέργεια παλμού:E = P * T = P / f

Ενεργειακή πυκνότητα:ED = E / (πD2/4)

Μέση πυκνότητα ισχύος:P / (π D2/4)

Πυκνότητα ισχύος στη διάρκεια του παλμού: PL / (π D2/4)

E ενέργεια παλμούf ρυθμός επανάληψης

παλμώνP μέση ισχύςPL μέγιστη ισχύς παλμούt διάρκεια παλμούT χρόνος μεταξύ 2

παλμών= 1/fD διάμετρος

ακτινοβολούμενης επιφάνειας (spotsize)

Σχέση μεταξύ ενέργειας, μέσης ισχύος, μέγιστης ισχύος και ρυθμού επανάληψης παλμών

Aachen Institution for Laser Dentistry www.aalz.de10-12 10-9 10-6 10-3 100 103 106 109

10-4

100

104

108

1012

1016

Exposure time / s

Inte

nsity

/ W

cm

-2

Biomodulation

Photodyn.Therapy

Photochem.Reactions

Thermaleffects

CoagulationAblation

Vaporisation

Que

llen:

1 M

. H. N

iem

z, „

Lase

r-tis

sue

inte

ract

ions

- F

unda

men

tals

and

app

licat

ions

“, S

prin

ger

Verla

g, B

erlin

, Hei

delb

erg,

New

Yor

k 19

96.

2 H

. Kar

, H. R

inge

lhan

, „G

rund

lage

n de

r Te

chni

k de

r Ph

otoa

blat

ion“

, in

Adva

nces

in

Lase

r M

edic

ine,

Bd.

6, H

rsg.

G. J

. Mül

ler,

H.-P

. Ber

lien,

Eco

med

, Lan

dsbe

rg/L

ech

1992

.

3 A.

Kat

zir,

„Las

ers

and

optic

al f

iber

s in

med

icin

e“, A

cade

mic

Pre

ss, I

nc.,

San

Die

go,

New

Yor

k, B

osto

n 19

93, 5

9-10

6.

Αλληλεπίδραση με τους ιστούς επιδράσεις και η σχέση τους με το χρόνο

H. v

. Ben

them

, „W

irkun

gsm

echa

nism

us d

es L

aser

s in

der

Za

hnhe

ilkun

de“,

ZM

K, 1

6(7/

8), 4

59-4

70 (

2000

).

continous mode (CW) pulsed mode

µήκος κύµατος

ισχύς [W] ενέργεια παλµού [J]

διάρκεια παλµού [s]

µέση ισχύς [W]

ρυθµός επανάληψης [s -1]

time of irradiation [s]

spot size [cm2]

πυκνότητα ισχύος [W/cm2] ενεργειακή πυκνότητα, fluence [J/cm2]

Παρασκευές με διαστρωματική αφαίρεση αδαμαντίνης (αριστερά) και οδοντίνης (δεξιά) με ένα laser Er:YAG και οι αντίστοιχες απεικονίσεις ηλεκτρονικού μικροσκοπίου (παρατηρείστε τα ανοιχτά οδοντινοσωληνάρια στην οδοντίνη).

DenBesten PK et al. The safety and effectiveness of an Er:YAG laser for caries removal and cavity preparation in children. Med Laser Appl. 2001;16:215-222

Πρώτη ερευνητική εργασία σε παιδιά

Πλεονεκτήματα χρήσης laser

- Εκλεκτικότητα. Εξοικονόμηση υγιούς οδοντικής ουσίας- Απουσία οδοντινικού ξέσματος (smear layer)- Κοιλότητα ελεύθερη μικροβίων- Αυξημένη ισχύς συγκόλλησης - Μειωμένη μικροδιείσδυση- Μειωμένος κίνδυνος εμφάνισης δευτερογενούς τερηδόνας- Προστασία οδοντικού πολφού- Στην πλειοψηφία των ασθενών δεν απαιτείται αναισθησία- Μειωμένο stress ασθενούς

Μειονεκτήματα χρήσης laser

- Η αφαίρεση αμαλγάματος και η παρασκευή κολοβώματος για προσθετική εργασία δεν είναι εφικτή

- Ο χρόνος εργασίας είναι μεγαλύτερος- Αναγκαιότητα ορθής εκπαίδευσης του οδοντιάτρου- Υψηλό κόστος απόκτησης

Why laser safety?

Laser radiation can cut or destroy human tissue & eyes are in particular danger as they are much more sensitive to light, and it is possible to irreversibly lose one's eyesight with just

one glance into a laser beam even with lower power.

- self-protection

- personnel and patient safety

Aachen Institution for Laser Dentistry www.aalz.de

Comparison laser / hot plate

laser beam 1 mW

diameter

spot size

power density

for comparison: hot plate (1 kW): 3 W/cm2, this equals to a factor of over 400 !

Laser Classes

Aachen Institution for Laser Dentistry www.aalz.de

Laser categories according to EN 60825-1 (November 2001)

Class Concept Comment

1 The radiation emitted by this laser is not dangerous No need for protection equipment

1M Eye safe when used without optical instruments,may not be safe when optical instruments are used

No need for protection equipment, if used without optical instruments

2 Eye safe by aversion responses including the blink reflex. No need for protection equipment

2MThe light that can hit the eye has the values of a class 2 laser, depending on a divergent or widened beam, it may not be safe when optical instruments are used

No need for protection equipment, if used without optical instruments

3R

The radiation from this laser exceeds the MPE values (MPE: maximum permissible exposure). The radiation is max. 5 x AELs of class 1 (invisible) or 5 x of class 2 (visible). The risk is slightly lower than that of class 3B

Dangerous to the eyes, safety glasses are recommended

3B Old class 3B without 3R. The view into the laser is dangerous. Diffuse reflections are not regarded as dangerous.

Dangerous to the eyes, safety glasses are obligatory

4Old class 4 Even scattered radiation can be dangerous, also danger of fire and danger to the skin

Personal safety equipment is necessary (glasses, screens)

Lasers have to be categorized into hazard classes. The bases for this classification are the so-called AEL values (accessible emission limit). These limits indicate the class of the laser and are listed in EN 60825-1.

Aachen Institution for Laser Dentistry www.aalz.de

Eye protection

Penetration depth of electromagnetic radiation into the eye

Aachen Institution for Laser Dentistry www.aalz.de

Examples of labels on laser goggles

Not necessary

CE-Norm is sufficient

Eye protection

Aachen Institution for Laser Dentistry www.aalz.de

Eye protection

Examples of laser goggles