丁星月 鄒朝暉 董曉曦 夏倩倩

300070天津醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院（丁星月、鄒朝暉、夏倩倩）；300192天津，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所（董曉曦）

532nm摻釹釔鋁石榴石皮秒激光照射離體牙對髓腔溫度的影響

丁星月 鄒朝暉 董曉曦 夏倩倩

300070天津醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院（丁星月、鄒朝暉、夏倩倩）；300192天津，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所（董曉曦）

目的通過用532 nm摻釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）皮秒激光器在不同光照時間和功率下照射離體牙，以初步篩選出激光對于不同形態(tài)牙齒的安全參數(shù)。方法采用皮秒激光照射離體牙（前牙、前磨牙、磨牙）；用熱電偶電子測溫儀對髓腔內(nèi)不同時間和功率下的溫度進行重復(fù)測量，以得出髓腔溫度變化（ΔT）。結(jié)果前牙組在0.6 W、30 s，0.8 W、20 s、30 s，1.0 W、10 s、20 s、30 s，前磨牙組在1.0 W、30 s時，ΔT＞5.6℃。磨牙組在1.0 W、30 s內(nèi)，ΔT＜5.6℃。在皮秒激光功率一定下，髓腔溫度隨照射時間延長而升高，其差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；一定時間下，隨著功率增加而升高，其差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。結(jié)論用0.8 W、10s，0.6W、20s，0.4W、30s以內(nèi)的參數(shù)照射前牙；0.8W、30s，1.0W、20s以內(nèi)的參數(shù)照射前磨牙；1.0W、30s以內(nèi)的參數(shù)照射磨牙是相對安全的。且在應(yīng)用皮秒激光進行牙體治療時，需同時控制功率和照射時間。

皮秒激光；牙髓腔；溫度；安全性

0 引言

激光器在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用始于20世紀60年代。隨著研發(fā)的深入，各種類型的激光器開始應(yīng)用于口腔治療中。激光作為一種無痛、微創(chuàng)的治療方式而應(yīng)用于口腔疾病中。由于其具有殺菌、熔融封閉牙本質(zhì)小管[1]、促進組織愈合[2]等特性，為臨床工作提供了新手段。倍頻532 nm摻釹釔鋁石榴石（neodymium-doped yttrium aluminum garmet,Nd：YAG）激光器在牙齒漂白中取得了突出療效，對氟斑牙、四環(huán)素牙效果顯著，較少發(fā)生術(shù)中或術(shù)后過敏?？谇慌R床醫(yī)學(xué)中常使用的激光器脈沖寬度多為微秒、納秒。超短脈沖的激光,如皮秒、飛秒激光，單脈沖聚焦范圍內(nèi)的去除精度可達幾十甚至幾個納米。在醫(yī)學(xué)中，其也可作為超精密手術(shù)刀進行組織切割，甚至能夠?qū)蝹€細胞進行精密手術(shù)，如視力矯正術(shù)。近來，實驗人員嘗試使用超短波激光進行口腔軟硬組織及牙科充填材料的切割。在足夠的切割效率下，超短波激光可以取得更精準(zhǔn)的切削邊緣及最小的副作用[3]。皮秒532 nm激光應(yīng)用在口腔治療中，可通過極高的瞬時功率達到快速殺菌的作用，同時熔融牙本質(zhì)小管，相比其他激光在使用上更加高效。且在相同劑量的激光能量下，超短脈沖的激光器對材料產(chǎn)熱幅度理論上要低于短脈沖。

激光治療被越來越多的臨床醫(yī)生所青睞，其使用參數(shù)的安全范圍是值得研究和探討的。有研究表明超短波激光切割牙體硬組織和充填材料導(dǎo)致髓腔溫度升高[4-5]。激光照射牙體組織，其光熱作用可以使牙齒升溫，牙體微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而使患者出現(xiàn)牙髓疼痛感和牙髓組織損傷。牙髓組織血管密集，具有豐富的血運系統(tǒng)，通過牙本質(zhì)纖維為牙釉質(zhì)及牙本質(zhì)供給營養(yǎng)。牙髓被牙本質(zhì)包繞，其體積范圍變化容許量極小。牙髓在受到一定程度的物理刺激時，出現(xiàn)血流增加及血管擴張，組織壓升高后出現(xiàn)血流減緩及血管閉塞性血栓，從而使牙髓組織充血，甚至產(chǎn)生局限性壞死[6]。實驗者通過檢測牙髓組織的血流狀態(tài)來評估牙髓活力，即采用激光多普勒血流監(jiān)測儀分析大鼠髓腔的血流微循環(huán)對于溫度變化而產(chǎn)生的改變。牙髓組織在33～42℃的范圍內(nèi)血流速度無明顯改變，而超過該范圍血流速度則明顯升高。通過光學(xué)顯微鏡觀察組織病理變化，在血流速度增高的牙髓組織中發(fā)現(xiàn)血漿外滲的現(xiàn)象[7]。

髓腔溫度升高超過一定程度，就會對牙髓組織產(chǎn)生不可逆的破壞。Zach和Cohen[8]研究得出：牙髓腔溫度升幅超過5.6℃時，牙髓活力喪失15%；溫升達到8.3℃，約有20%的牙髓壞死；溫升達到11.1℃，有60%的牙髓壞死；溫度升高16.6℃，則所有牙髓均發(fā)生壞死。

筆者使用0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 W的平均功率照射牙體硬組織；以5.6℃作為髓腔溫度變化的臨界值，測10、20、30 s時髓腔溫度升高值，得出時間、功率與髓腔溫度變化的關(guān)系，初步篩選出安全的激光參數(shù)和照射時間。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 離體牙

以天津醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院口腔外科門診患者的離體牙為本研究抽樣對象，分別選取前牙、前磨牙及磨牙新鮮離體恒牙各12顆，要求牙冠完整、無齲，且表面無裂紋。

1.1.2 主要儀器

532nnNd:YAG皮秒激光器（法國TeenPhotonics公司），UT325數(shù)字式測溫儀（廣東省優(yōu)利德有限公司），NSK高速渦輪機（日本NSK公司），EMS超聲潔牙機（瑞士EMS公司），電子計時器（日本LEC公司）。

1.2 方法

1.2.1 實驗分組

將36顆離體牙按照牙齒分類分為3組：A組（前牙組），B組（前磨牙組），C組（磨牙組）。

1.2.2 髓腔測溫模型的制備

將離體牙刮除表面軟組織，超聲潔治去除表面牙石、牙漬，用高速渦輪機裂鉆在釉牙骨質(zhì)界下2mm處截冠，暴露髄底，去除牙髓組織后用生理鹽水浸泡備用（浸泡不超過1周）。

將離體牙固定在實驗臺上，使激光指示光投照在牙冠唇（頰）面的中央。對熱電偶測溫儀進行校正（沸水100℃，冰水混合物0℃）。將熱電偶測溫儀的測溫金屬探頭伸入離體牙的髓腔中，緊貼髓腔唇頰側(cè)一面，與激光指示光的高度保持一致。激光出光口距離離體牙表面20 cm。每個樣本在室溫為24℃條件下，測牙髓髓腔的初始溫度T0，在功率設(shè)置為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 W下，10、20、30 s（計時器報時）時，測髓腔的即時溫度Ti并作記錄。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

實驗采用SPSS17.0數(shù)據(jù)處理軟件，所得的數(shù)據(jù)均以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，做析因設(shè)計的方差分析，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

激光照射離體前牙的時間增加，髓腔溫度不斷增加；激光照射離體前牙的功率增加，髓腔溫度也在不斷增加。前牙組在0.6 W、30 s，0.8 W、20 s、30 s，1.0 W、10 s、20 s、30 s時，ΔT＞5.6℃。其中在1.0 W、30 s時，髓腔溫度升高（11.4±2.2）℃。前牙組在不同照射參數(shù)下的髓腔升溫情況見表1。

激光照射時間增加，離體前磨牙的髓腔溫度上升；皮秒激光照射功率增加，前磨牙髓腔溫度持續(xù)上升。前磨牙在1.0 W、30 s時，ΔT＞5.6℃。在1.0 W、30 s時，髓腔溫度升高（6.7±3.0）℃。前磨牙組在不同照射參數(shù)下的髓腔升溫情況見表2。

激光照射離體磨牙的時間增加，髓腔溫度升高。激光照射功率增加，磨牙髓腔溫度不斷升高。在1.0 W、30 s時，髓腔溫度升高（4.8±1.6）℃。磨牙組在不同參數(shù)下的髓腔升溫情況見表3。

表1 前牙組各參數(shù)下髓腔溫度升高值ΔT（℃）（n=12±s）

表1 前牙組各參數(shù)下髓腔溫度升高值ΔT（℃）（n=12±s）

注：使用析因設(shè)計的方差分析，功率一定下髓腔溫度隨照射時間變化兩兩比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；時間一定下髓腔溫度隨功率變化兩兩比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）

功率（W）時間（s）102030 0.21.0±0.52.0±0.92.6±1.0 0.42.4±1.43.8±1.84.9±1.7 0.63.5±1.75.4±1.77.0±1.7 0.84.8±2.77.2±2.69.4±2.3 1.05.8±3.18.8±3.011.4±2.2

表2 前磨牙組各參數(shù)下髓腔溫度升高值ΔT（℃）（n=12±s）

注：使用析因設(shè)計的方差分析，功率一定下髓腔溫度隨照射時間變化兩兩比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；時間一定下髓腔溫度隨功率變化兩兩比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）

功率（W）時間（s）102030 0.20.7±0.41.0±0.51.2±0.7 0.41.4±0.72.0±0.82.5±1.0 0.61.9±0.92.8±1.23.6±1.4 0.82.7±1.34.0±1.75.0±2.1 1.03.7±2.05.3±2.56.7±3.0

表3 磨牙組各參數(shù)下髓腔溫度升高值ΔT（℃）（n=12±s）

表3 磨牙組各參數(shù)下髓腔溫度升高值ΔT（℃）（n=12±s）

注：使用析因設(shè)計的方差分析，功率一定下髓腔溫度隨照射時間變化兩兩比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；時間一定下髓腔溫度隨功率變化兩兩比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）

功率（W）時間（s）102030 0.20.4±0.20.6±0.21.0±0.2 0.40.7±0.31.2±0.31.7±0.4 0.61.1±0.61.9±0.72.6±0.8 0.81.4±0.82.4±0.93.4±1.0 1.01.9±1.03.5±1.34.8±1.6

綜上所述，得出以下結(jié)果：①隨著皮秒激光照射時間的增加，前牙、前磨牙及磨牙髓腔溫度不斷增加，其差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。②隨著皮秒激光照射離體牙的功率增加，3組髓腔溫度也在不斷增加，其差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。③在1.0 W、30 s參數(shù)范圍內(nèi)，除了磨牙髓腔溫度在安全值域內(nèi)，對于前磨牙、前牙的牙髓均存在風(fēng)險。將參數(shù)控制在0.8 W、10 s，0.6 W、20 s，0.4 W、30 s以內(nèi)照射前牙；0.8 W、30 s，1.0 W、20 s以內(nèi)照射前磨牙是相對安全的。

3 討論與結(jié)論

激光應(yīng)用于牙體治療時，要求在起到治療效果的同時，產(chǎn)熱能控制在安全范圍內(nèi)。因此選擇合適的激光器及合理的參數(shù)是臨床醫(yī)生研究的重點。而對于控制升溫來說，超短波激光具有更大的優(yōu)勢。因激光對材料的去除量會隨脈寬縮短而降低，從而使激光蝕刻材料的體積微型化[9]。當(dāng)脈寬＜10 ps，激光對材料“電子態(tài)”的去除作用，有望獲得冷加工效果。超短脈沖激光光子的作用時間若小于材料導(dǎo)電電子/晶格的熱震動傳遞時間，就有可能因為來不及進行熱傳導(dǎo)，而通過光子作用激發(fā)電子躍遷，電子濃度會隨電離增強，在脈沖結(jié)束前，通過庫侖爆炸達到臨界閾值，引發(fā)材料結(jié)構(gòu)不可恢復(fù)的破壞，這就是超短脈沖激光實現(xiàn)“冷加工”的物理基礎(chǔ)[10]。

牙齒的溫升過程取決于激光的脈寬、頻率及能量等參數(shù)[11]。與長脈沖激光相比,短脈沖激光使牙齒表面的溫升快，牙髓腔的溫升小。在入射激光能量一定的前提下，增加激光脈沖寬度或增加激光脈沖個數(shù)，會使牙齒表面溫度最大值降低，牙齒內(nèi)部高溫區(qū)擴大，牙髓溫度升高[12]。脈寬越長，脈沖數(shù)越多，牙髓腔的溫度就越高[13]；反之，髓腔升溫能被有效控制。本研究選取激光器為皮秒激光，控制了脈沖寬度對髓腔升溫造成的影響。因入射能量與平均功率和時間成正比。實驗得出532 nm皮秒激光在1.0 W、30 s的參數(shù)內(nèi)，隨平均功率及照射時間的增加，髓腔溫度升高。

皮秒532 nm激光器使髓腔溫度升高的一方面原因源自實驗采用的激光器處于百皮秒范疇，若降低脈沖寬度仍有實現(xiàn)溫升進一步減小的可能。在使用多脈沖激光蝕刻牙體組織時，控制單脈沖的能量，使其既能滿足牙體治療的需要，同時無多余能量傳遞至牙齒內(nèi)部而產(chǎn)生熱量積累。在口腔醫(yī)學(xué)中應(yīng)用超短波激光器，將更有利于活髓牙的治療，可控制牙髓因光熱作用失活的風(fēng)險。

激光系統(tǒng)照射牙齒所產(chǎn)生的熱效應(yīng)取決于組織的類型和厚度[4-5]。牙釉質(zhì)是由95%化學(xué)式為Ca10（PO4）6（OH）2的羥基磷灰石、4%的水和1%的有機物組成。牙本質(zhì)只含約70%的羥基磷灰石,其余的由20%的有機物和10%的水組成。從熱傳導(dǎo)性來看，牙釉質(zhì)要高于牙本質(zhì)[14]。有研究表明，激光照射厚度為0.5 mm的牙本質(zhì)，髓腔升溫明顯比2 mm厚的牙本質(zhì)高[15]。由于人體牙體硬組織厚度存在差異，若使用激光時，全口使用同一能量照射，有可能導(dǎo)致個別牙齒牙髓損傷。有實驗統(tǒng)計，牙釉質(zhì)加牙本質(zhì)厚度平均值中磨牙＞前磨牙＞前牙[16]。因此，實驗針對不同牙體硬組織厚度范圍進行分組，分為前牙組、前磨牙組、磨牙組。結(jié)果顯示：前牙在0.6 W、30 s，0.8 W、20 s、30 s，1.0 W、10 s、20 s、30 s時及前磨牙在1.0 W、30 s時，髓腔升溫超出安全閾值（＞5.6℃）。磨牙組在應(yīng)用1.0 W、30 s內(nèi)的激光照射時未引起髓腔升溫過高的現(xiàn)象，而前牙組髓腔升溫最高。溫度升高的持續(xù)時間也是影響牙髓活力的一個重要因素。Eriksson等[17]報道牙髓溫度升高5°C達1 min以上，對于牙髓活力同樣具有損傷。因此，實驗需控制照射時間，且將最大照射時間控制在30 s內(nèi)是相對安全的。

本研究采取空腔環(huán)境測量髓腔升溫，忽略了牙髓腔內(nèi)復(fù)雜的血流系統(tǒng)和生理調(diào)節(jié)功能。有學(xué)者通過改善實驗?zāi)Ｐ?，模擬牙髓血流循環(huán)在離體牙髓腔內(nèi)建立一個連續(xù)水流模型。使生理鹽水在37℃的水溫下，模擬牙髓血運的流速，對光固化光源產(chǎn)熱進行評估。結(jié)果表明，建立循環(huán)的實驗組的所有光源產(chǎn)熱均在安全范圍內(nèi)[18]。該實驗旨在論證流動的液體可帶走組織中多余的熱量。但使用生理鹽水模擬髓腔內(nèi)的流動液體是否具有可參考性，值得進一步討論。

激光照射方式也會對實驗結(jié)果產(chǎn)生差異。Klaric等[19]將飛秒770 nm半導(dǎo)體激光器（800 mW，15 min）照射離體上頜前牙，對比固定光源下的髓腔產(chǎn)熱與移動光源下的升溫效果。結(jié)果顯示，在光源固定下照射的髓腔溫度升高8.6～15.7℃，而移動照射的髓腔溫度僅升高1.4～2.7℃。本實驗的激光在固定模式下照射，同一位點持續(xù)照射時間長而熱量累積也是導(dǎo)致髓腔升溫的一個重要原因。

控制溫度升高一方面是控制入射能量。實驗結(jié)果得出在1.0 W、30 s的光照參數(shù)下僅對磨牙是安全的。對于前牙和前磨牙而言，如何控制功率大小及照射時間是非常必要的。另一方面還要采取降溫措施。研究者使用干預(yù)措施以減少激光產(chǎn)熱對髓腔造成的影響。脈沖激光進行離體牙窩洞預(yù)備時，采用壓縮空氣風(fēng)冷卻，甚至可使髓腔溫度低于初始溫度[20]。在離體牙表面涂布凝膠也是一種有效的控制溫升的措施。Luk等[21]使用10 600 nm CO2激光（600 mW，30 s×6），將不同漂白凝膠涂布在牙齒表面以比較加入凝膠與否的溫度差別。結(jié)果顯示，加入Opalescence Extra、QuickWhite、Star Brite及Nypro Gold漂白凝膠的4組髓腔溫度均明顯低于未加凝膠組，且差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。Sulieman等[22]使用Opus Mix bleaching powder混合35%過氧化氫溶液在離體牙面上涂布2mm厚度，用830nm半導(dǎo)體激光分別以不同能量照射離體牙30s，比較有無漂白凝膠髓腔溫度升高的差別。最后得出3 W下無凝膠組升高11.6℃，有凝膠的髓腔升高8.7℃；2 W下無凝膠的髓腔升高7.7℃，有凝膠的升高6.8℃。在涂布凝膠的條件下，使用磷酸鈦氧鉀（KTP）激光光照離體切牙（1.0 W，30 s），髓腔溫度則處于安全閾值內(nèi)[23]。

532 nm皮秒激光照射活髓牙，要根據(jù)不同的牙齒形態(tài)分析牙體硬組織厚度，注意控制功率及照射時間，以免對牙髓造成不可逆的損傷。皮秒激光有望通過安裝光纖和手具，以及降低頻率的方式進一步適應(yīng)口腔科的使用。未來實驗將模擬活髓內(nèi)牙髓狀態(tài)，進一步考慮髓腔的微循環(huán)和髓腔內(nèi)物質(zhì)對于超短波長激光照射產(chǎn)熱的影響。

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Effect of 532 nm picosecond Nd:YAG laser irradiation on temperature of the pulp chamber

Ding Xingyue, Zou Zhaohui,Dong Xiaoxi，Xia Qianqian
Dental Hospital of Tianjin Medical University,Tianjin 300070,China(Ding XY,Zou ZH,Xia QQ);Institute of Biomedical Engineering,Chinese Academy of Medical Science&Peking Union Medical College,Tianjin 300192, China(Dong XX)
Corresponding author:Zou Zhaohui,Email:zouzhaohui2005@sina.com

ObjectiveTo preliminarily select safe parameters for different forms of teeth by irradiating 532 nm picosecond Nd:YAG laser on human isolated teeth with different irradiation time length and power.MethodsIsolated human teeth including anterior teeth,premolars,molars were irradiated with 532 nm picosecond laser. Repeated measurements were made for each tooth by thermometer to measure the temperature of pulp chamber on different time point and power,and the temperature change(ΔT)was calculated.ResultsΔT of the anterior irradiation group at 0.6 W,30 s;0.8 W,20 s and 30 s;1.0 W,10 s,20s and 30s were more than 5.6℃,which was the same with that of premolar group at 1.0 W,30s.ΔT of the molar group at 1.0 W,30 s was less than 5.6℃.Under certain power, the temperature of pulp chamber increased with the prolonging of irradiation time(P＜0.05).At a certain time, temperature increased with the power(P＜0.05).ConclusionsIt is safe to carry out operation on the parameters setting of 0.8 W,10 s and 0.6 W,20 s irradiation for anteriors teeth;0.4 W,30 s,0.8W,30 s and 1.0 W,20 s for premolar teeth,and 1 W,30 s for molar teeth.In the application of 532 nm picosecond laser,attention is required to be paid on parameter setting to control input power and irradiation time.

Picosecond laser;Pulp chamber;Temperature;Safety

鄒朝暉，Email:zouzhaohui2005@sina.com

10.3760/cma.j.issn.1673-4181.2016.01.008

2015-11-17）