Er：YAG激光脉宽对牙硬组织消融特性影响的研究*

崔庆哲，杨经纬，凌　琳，程庭清，吴先友，江海河，3*

（1.中国科学院合肥物质科学研究院医学物理与技术中心，安徽合肥230031；2.中国科学技术大学，安徽合肥230031；3.中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽合肥230031；4.中国科学院合肥物质科学研究院肿瘤医院，安徽合肥230031）

Er：YAG激光脉宽对牙硬组织消融特性影响的研究*

崔庆哲1，2，杨经纬1，凌琳4，程庭清1，吴先友1，江海河1，3*

（1.中国科学院合肥物质科学研究院医学物理与技术中心，安徽合肥230031；
2.中国科学技术大学，安徽合肥230031；3.中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽合肥230031；4.中国科学院合肥物质科学研究院肿瘤医院，安徽合肥230031）

研究了Er:YAG激光消融离体牙本质过程中激光脉宽对消融阈值、消融深度以及消融后牙硬组织微结构的影响。使用50 μs到1 ms脉宽的Er:YAG激光对人牙本质在无喷水冷却下消融实验，通过体式光学显微镜观察样品消融切口进而测量消融坑洞深度，利用扫描电镜（SEM）观察消融后牙本质的形态。实验结果表明，随着激光脉宽的增加，Er:YAG激光对人牙本质的消融阈值、消融深度呈现逐渐增大的趋势，同时还观察到高能量密度消融实验中牙小管封闭以及牙本质熔融现象。该实验结果对了解Er:YAG激光消融牙硬组织的微观过程及牙科治疗应用具有参考价值。

Er:YAG激光；脉宽；牙本质；消融阈值

doi:10.3969/j.issn.1007-7146.2015.04.007

0　引言

2.94μm的Er:YAG激光在消融牙本质的过程中，能够被牙硬组织中的水和羟基磷灰石强吸收［1-5］。与1.064 μm的Nd:YAG激光和10.6 μm的CO2激光相比，Er:YAG激光消融牙硬组织所产生的热副效应小，可以有效避免牙髓的不可逆损伤，是新一代的现代牙科医疗手段［6-8］。在Er:YAG激光消融牙本质的过程中，激光的脉冲能量、脉冲宽度、重复频率、照射距离等众多激光参数都影响着消融效果［9-11］，其中脉宽是决定激光与物质相互作用结果的主要因素之一［12］，尤其会对消融过程中热扩散的效果产生影响［13，14］。

激光消融是激光与生物组织相互作用的过程，不仅与激光参数有关，而且还与消融组织有关。不同生物组织在激光消融过程中具有一定的差异性，会影响激光消融效果。国外已有文献对不同脉宽下Er:YAG激光的牙本质消融效果进行了报道，而国内相关研究报道较少，对中国人牙齿消融这一问题的既有研究有待进一步的深化。Nishimoto等人［15］研究了喷水冷却下40 J/cm2的Er:YAG激光消融牙本质，指出消融坑洞的深度随着脉宽的增加而增大，被消融牙本质的表面形貌并不随脉宽的增加而改变。Camerlingo等人［16］研究了喷水冷却下不同脉宽的Er:YAG激光消融牙本质，指出脉宽会影响消融坑洞的微结构与化学组成。在实际应用Er:YAG激光消融牙本质时，能量密度大于40 J/cm2，针对这种情形下，研究无喷水冷却下Er:YAG激光脉宽对牙本质消融效果的影响。

以人离体牙齿为实验对象，使用50 μs、100 μs、250 μs、500 μs、1 ms五种脉宽的Er:YAG激光辐照牙本质样品，在辐照过程中逐渐增大能量密度，测量不同脉宽下的消融阈值，并且获得消融坑洞的消融深度随能量密度的变化关系，实验过程中没有使用喷水冷却。使用不同脉宽的Er:YAG激光在相同能量密度下消融组织样品，通过扫描电镜（SEM）观察了脉宽对于消融后坑洞微结构的影响。实验结果表明:Er:YAG激光消融牙本质的消融阈值、消融深度都会随着脉宽的增加而增加。

1　材料与方法

本实验选用离体的人恒磨牙作为实验材料。去除软组织后，从牙颈部断开，弃去牙根，用慢速金刚锯沿牙体长轴将牙切成两个部分，切割过程中喷水冷却。牙本质暴露后，利用180目砂纸刮擦牙本质表面，使其表面平滑，制成牙本质牙块，保存样品于生理盐水（浓度为0.9%的NaCl溶液）中，并在一个月之内使用。激光消融实验前，将牙本质牙块洗净并放置在空气中干燥10到20 min。

实验装置如图1所示，从激光器中输出的激光束经过45°全反射，再经过聚焦镜（f=50 mm）聚焦，垂直入射到样品表面，在测量阈值时形成直径为290.7 μm的光斑，测量消融坑洞深度与观察消融坑状微结构时形成直径为727.3 μm的光斑。样品置于二维移动平台上，样品表面在聚焦镜焦点附近。实验光源为脉冲Er:YAG激光，波长为2.94 μm，脉宽可调为50 μs、100 μs、250 μs、500 μs、1 ms。本实验中脉冲频率为2 Hz，辐照位点的脉冲数为10次，实验在脉冲能量和重复频率一定的情况下，改变脉宽进行对比实验，实验过程中不使用喷水冷却。

图1　实验装置示意图Fig.1　Schematics of the experiment setup

2　结果

2.1消融阈值测量

本文就不同脉宽的Er:YAG激光消融牙本质的消融阈值进行了初步探讨。由于牙齿的生物组织存在一定的差异，很难将组织的消融发生率控制到百分之百，因此本文采用80%消融发生率定义为激光消融阈值，较符合实际情况［17］。

图2　Er：YAG激光消融牙本质的扫描电镜照片Fig.2　SEM images for the Er：YAG laser of the ablation of dentin

在50 μs激光脉宽的情况下，使用不同能量密度Er:YAG激光辐照组织样品，通过扫描电镜（SEM）观察不同能量密度下激光消融样品组织产生的形态变化。当能量密度为2.80 J/cm2时，有消融痕迹产生，如图2（a）所示。当能量密度为3.92 J/cm2时，出现清晰的消融痕迹，产生小的局部消融，如图2（b）所示。当能量密度为4.6 J/cm2时，出现显著的消融痕迹，如图2（c）所示，且样品组织表面消融的概率超过80%。因此，定义50 μs脉宽的Er:YAG激光对牙本质的消融阈值范围为3.92 J/cm2～4.60 J/cm2。实验获得了50 μs、100 μs、250 μs、500 μs、1 ms脉宽的Er:YAG激光对牙本质的消融阈值范围，各脉宽的消融阈值范围如表1所示。其中，250 μs脉宽的Er: YAG激光对牙本质的消融阈值范围4.53 J/cm2～5.12 J/cm2；1 ms脉宽的Er:YAG激光对牙本质的消融阈值范围为5.95 J/cm2～6.37 J/cm2。

表1　Er：YAG激光消融牙本质的消融阈值范围Tab.1　The range of ablation threshold for the Er：YAG laser of the ablation of dentin

由上述结果可知，随着脉宽的增加，Er:YAG激光消融牙本质的消融阈值在逐渐增加，但增加较为缓慢，大约在4 J/cm2附近变化。

2.2消融深度测量

在能量密度超过消融阈值时，Er:YAG激光脉冲宽度对消融牙本质的坑洞深度、表面形态、坑洞微结构都有影响。实验中Er:YAG激光消融牙本质的能量密度控制在临床治疗范围之内，五种脉宽的Er: YAG激光能量密度从74.85 J/cm2到898.19 J/cm2，激光频率为2 Hz，作用脉冲总数为10次。实验得到的不同脉宽下消融坑洞的消融深度随能量密度的变化曲线如图3所示。

图3　不同脉宽Er：YAG激光消融牙本质的坑洞深度与能量密度的关系曲线Fig.3　The curve of the relationship between the ablation depths and energy densities under different pulse widths of Er：YAG laser

图4　五种不同脉宽Er：YAG激光消融牙本质的坑洞深度与能量密度的理论曲线Fig.4　The curve of the relationship between the ablation depths and energy densities for Er：YAG laser with five different pulse widths

从图3中可以看出，在相同脉宽条件下，消融坑洞深度随着Er:YAG激光能量密度增加而增大。在相同能量密度条件下，消融坑洞深度随Er:YAG激光脉宽增加而增大。已有相关文献报道了Er:YAG激光消融牙本质时消融深度随能量密度的变化关系。Majaron［13］等指出如果激光消融深度与热扩散半径远小于激光光束半径时，消融过程可以被视为一个一维的过程。并且获得了相关消融模型:

h（F）为不同能量密度下的消融深度，μ′为消融坑洞中的激光消光系数，ha为牙本质的比热，Sp为光束横截面积，S（F）是弹坑横截面积，F1为消融阈值。

图5　不同脉宽Er：YAG激光消融牙本质的电镜照片Fig.5　SEM images for different pulse durations of Er：YAG laser of dentin

根据上述公式得到五种不同脉宽的Er:YAG激光消融牙本质的坑洞深度随能量密度变化关系的理论曲线，如图4所示。由图3与图4比较可知，本文消融深度随能量密度变化关系的趋势与文献［13］中给出的相关模型基本一致。当能量密度在100 J/cm2到600 J/cm2范围内时，消融深度与能量密度基本呈线性关系。

Er:YAG激光消融牙本质过程中，可以通过在同一能量密度下增加脉宽来提高消融深度，激光脉宽的增大会影响牙本质消融坑洞的微结构。

2.3消融坑状微结构

实验研究了不同激光脉宽对牙本质消融坑洞微结构的影响。当能量密度为74.85 J/cm2，用脉宽为50 μs、100 μs、250 μs的Er:YAG激光消融牙本质时，消融坑洞产生鱼鳞状的粗糙侧面，未见表面碳化、熔融以及碎屑的产生，底部牙小管完全开放，如图4（a）～（c）所示。当脉宽为500 μs时，消融坑洞同样产生鱼鳞状的粗糙侧面，未见表面碳化、熔融以及碎屑的产生，底部牙小管部分开放，如图4（j）～（l）所示。当脉宽为1 ms时，消融坑洞同样产生鱼鳞状的粗糙侧面，坑洞边缘出现轻微碳化，底部牙小管完全封闭，如图5（m）～（o）所示。

图6　不同能量密度Er：YAG激光消融牙本质的电镜照片Fig.6　SEM images for different energy densities of Er：YAG laser of dentin

使用脉宽为1 ms的Er:YAG激光对牙本质牙块进行消融。当能量密度为74.85 J/cm2，消融坑洞的侧壁以及底部未见有熔融现象，如图5（a）～（c）所示。当能量密度增加至149.70 J/cm2，消坑洞的侧壁出现熔融现象，底部未见熔融现象，如图6（d）～（f）所示。当能量密度增加至449.10 J/cm2，消融坑洞的侧壁以及底部同时出现熔融现象，如图6（g）～（i）所示。因此在激光消融对损伤程度不同的患牙应该选择不同脉宽和不同能量密度的激光，对损伤比较严重，牙髓表面牙本质较薄的患牙，应以较窄脉宽与较低能量密度激光治疗。

3　结论

我们采用50 μs、100 μs、250 μs、500 μs、1 ms五种脉宽的Er:YAG激光分别对人体牙本质进行了消融实验，获得了人体牙本质在五种脉宽情况下Er: YAG激光的消融阈值范围，分别为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激光对样品组织消融阈值随着脉宽增大而增加。使用能量密度74.85 J/cm2到898.19 J/cm2的五种脉宽的Er:YAG激光分别对牙本质进行了消融实验，得到了不同脉宽下消融坑洞的消融深度随能量密度的增长趋势。实验研究了不同激光脉宽对牙本质消融坑洞微结构的影响，发现了高能量密度消融时牙小管封闭以及牙本质熔融现象。在实际医疗应用中，针对患牙损伤程度应选取不同脉宽与能量密度的Er:YAG激光，以便在提高消融深度的同时有效避免损伤的发生。但如何针对不同种类患牙如何进行定量的脉宽与能量密度的选择，需要进一步开展实验研究。

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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

国家自然科学基金（61275118）；国家自然科学基金委员会和中国工程物理研究院联合基金（U1230131）；中国科学院战略性先导科技专项（XDA0804010902）

崔庆哲（1992-），男，山东聊城人，硕士研究生，主要从事激光技术方面的研究。（电子邮箱）cuiqingzhe@ 126.com

江海河（1961-），男，博士生导师，研究员，硕士，主要从事激光医疗、半导体激光技术及应用等方面的研究。（电子邮箱）hjiang@aiofm.ac.cn