光子引导的光声流效应在根管荡洗中应用的系统评价

何蓉 刘学军 周宇琨

郑州大学第一附属医院口腔特诊科 郑州450052

牙髓及根尖周疾病是人类常见的疾病，不完善的根管治疗是根管治疗术后患牙罹患根尖周炎的主要原因，而细菌感染是导致牙髓及根尖周组织炎症发生发展的重要因素[1]，根管内细菌[2]以生物膜的形式存在，可附着于根管壁，隐藏在根管峡部、侧枝根管、根尖分叉和根尖分歧等复杂解剖结构中[3]，通过常规的根管预备机械清创及冲洗消毒方法难以彻底清除根管内细菌，导致炎症破坏不能完全消除[4]。

为了提高根管清创的效率，研究者尝试各种辅助根管荡洗的方法，如负压冲洗（apical negative pressure，ANP）、被动超声荡洗（passive ultrasonic irrigation，PUI）、激光活化冲洗（laser activated irrigation，LAI）及化学冲洗（chemical irrigation，CI）等，评价其清创效果的相关研究结果尚未统一。

掺铒钇铝石榴石（erbium-doped:yttrium-aluminium-garnet，Er:YAG）激光是一种波长为2.94μm的固体脉冲激光，其在口腔医学领域的应用始于1964年，Takahashi等[5]于1996年将Er:YAG激光用于辅助根管消毒。

2002年，Er:YAG激光被美国食品药品管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准用于根管治疗的根管清理和消毒[6]。自2011年，研究者在Er:YAG激光LAI方法的基础上，引入了激光光子引导的光声流（photon-initiated photoacoustic streaming，PIPS）冲洗系统，该技术采用低功率、短脉宽的设计，只需将工作头置于髓腔，其锥形尖端的光纤工作尖可使能量转换效率增加，高效清洁根管，并且避免了对根管壁及根周组织的热损伤。

本文将对Er:YAG激光PIPS在根管荡洗中去除根管内玷污层、牙本质碎屑、细菌、根管充填材料、增加牙本质小管渗透性等方面的相关研究作一系统评价。为PIPS的应用提供理论依据和临床指导，以及探索相关研究的新方向，促进设备和技术的进一步发展。

1 材料和方法

1.1 文献检索策略

计算机检索中国知网（China National Knowledge Infrastructure，CNKI）、万方数据知识服务平台、维普中文科技期刊数据库（VIPChinese Scientific and Technological Journal Database，VIP）、PubMed、Embase、Cochrane Library、Web of Science、SCOPUS数据库，时间限定为2010年1月至2020年7月。

英文检索式为（“photon initiated photoacoustic streaming”OR“photon induced photoacoustic streaming”OR“PIPS”OR“Er:YAG laser”）AND（“irrigation solution”OR“bacterial”OR“smear layer”OR“debris”OR“calcium hydroxide”OR“dentinal tubule penetration”OR“root crack” OR “randomized controlled trial” OR“RCT”）。中文检索式为（“光子诱导的光声流”OR“铒激光”）AND（“细菌”OR“玷污层”OR“碎屑”OR“药物”OR“牙本质小管渗透”OR“根裂”OR“随机对照实验”）。

1.2 文献纳入标准和排除标准

1.2.1 纳入标准 1）实验设计：随机对照试验（randomized controlled trial，RCT），无论其是否使用盲法；2）研究对象：人类离体牙和因牙髓病及根尖周病就诊患者的患牙；3）干预措施：根管预备后，实验组采用PIPS荡洗，对照组采用CI、PUI等冲洗方法；4）结果指标：根管清洁效果（根管内碎屑、玷污层、细菌及药物去除率，牙本质小管渗透率）的比较。

1.2.2 排除标准 1）实验设计：PIPS有关原理的研究、病例报告以及综述类文献；2）重复报告的研究；3）没有原始数据或数据表述不明确的研究；4）在不使用或者没有明确指出使用PIPS工作尖的情况下研究Er:YAG激光。

1.3 文献筛选和资料提取

数据提取：由2名研究者独立检索文献并且收集提取相关资料，如遇分歧，共同讨论解决，必要时可以由第3名研究者协助决断。研究者通过浏览检索文献的标题和摘要，筛选出可能符合纳入标准的文献，并获取文献全文，然后通过阅读文献全文，筛选出完全符合纳入标准的文献。数据提取的内容包括：基本信息、样本量大小、牙齿类型、根管弯曲度、冲洗液的种类和浓度、激光参数设置、测量或评价方法及作者结论。由于相关文献数量较少以及方法的异质性，本文仅对各个研究的结果进行描述性分析。纳入文献均采用了合理的研究设计和分析方法，数据可信。因此，本文中依据PIPS在根管荡洗中的作用将纳入文献进行归类描述和系统评价，以期得到比较统一的结论，为临床使用和实验研究提供理论依据。

1.4 质量评价（偏倚风险评价）

按照Cochrane系统评价员手册5.0推荐的随机对照试验的偏倚风险评价标准进行评价，根据本研究内容总结出以下评价标准：1）在开始实验之前是否进行了足够的样本量计算；2）是否由一位操作人员进行牙齿预备；3）牙齿预备荡洗的过程是否标准化；4）牙齿是否为随机分组；5）荡洗过程是否由一名操作人员执行；6）对照组和实验组使用的冲洗液是否相同；7）是否报告了操作者在PIPS使用方面的经验；8）研究人员是否使用盲法评估实验结果。

收集这些项目后，将研究分类为偏倚风险高、中或低。未能报告上述5个或更多项目的研究被归为高风险，未报告3个或4个项目的研究被归为中度风险，而未报告2个或更少项目的研究被归为低风险。

2 结果

2.1 纳入研究的基本特征

检出文献1 087篇，排除重复文献以及阅读摘要和全文后排除病例报道、原理研究、综述、非随机对照试验、表述不明确、所使用非PIPS技术等文献，最终纳入45篇文献（如图1）。

图1 筛选流程图Fig 1 Screening flow chart

该系统评价中的45篇文章发表于2010—2020年，均为体外研究。在这些文献中实验检测方法各不相同，包括扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜、细菌检测、微计算机断层扫描（micro computed tomography，micro-CT）等。

试验段位于某高速公路K201+250—K231+500标段，线路全长30.25km，路基宽度设计为26m，道路全线设计行车速度为100km/h，该道路路基结构形式设计为：20cm级配碎石+20cm水泥稳定级配碎石+20cm水泥稳定级配碎石。由于试验段所处地区冬季寒冷夏季炎热且昼夜温差较大，常规半刚性基层沥青路面容易出现反射裂缝等病害，因此，试验段道路在设计时决定采用级配碎石作为路面基层。

本文将文献分为以下几类：1）PIPS辅助根管消毒灭菌；2）PIPS辅助根管内玷污层的去除；3）PIPS辅助根管内药物的去除；4）PIPS辅助根管内牙本质碎屑的去除；5）PIPS辅助提高牙本质小管渗透率；6）PIPS的安全性和参数设置。

2.2 纳入研究的偏倚风险评价

对所有45篇纳入研究文献的偏倚风险进行了评估：0篇的偏倚风险较低，12篇（26.7%）为中度风险，大多数研究即33篇（73.3%）为高风险（表1[7-51]）。

表1 风险评估表Tab 1 Risk Assessment Form

3 讨论

3.1 PIPS技术的原理

PIPS可以增强根管荡洗的清创效果，其技术原理总结为以下3点。1）荡洗作用：脉冲激光使荡洗液产生气泡，导致液体体积发生变化，在根管内产生剧烈震荡；2）初级空穴效应：脉冲激光产生的大气泡内向破裂，对根管壁表面施以剪切力；3）次级空穴效应：大气泡破裂之后产生的微小气泡破裂，达到反复冲洗的作用[52]。使用PIPS时，激光尖端仅放置在髓腔的冠部并且保持静止而不将其推进到根管内，冲击波理论上可以三维地作用于根管中存在液体处，并有效地清理整个根管系统。

3.2 PIPS的参数设置

综合以往的相关参数研究，PIPS使用参数推荐为脉宽50μs，频率10～20 Hz，输出功率0.15～0.5 W[17]，目前临床上PIPS最常用的特定参数设置为能量20 mJ、脉冲15 Hz、脉宽50μs、功率0.3 W。Golob等[10]使用10 mJ与20 mJ的PIPS荡洗离体牙，将其根管内细菌减少量进行比较，结果表明2种能量的灭菌效果无明显差异。Luca等[32]比较PIPS在24和10 mJ时玷污层去除的效果，在24 mJ时清洁效果更加显著，在10 mJ的清洁效果与常规CI无明显差异。在一定范围内，可能能量设置越高，清洁效果越好，然而在使用高能量时也要注意防护，避免出现安全问题如根尖溢出液增多、根裂、微渗漏等[53]，另外，在针对不同病例、不同时间和不同目的时，可能都需要不同的激光参数设定，仍需要更完善的实验来进一步探索。

3.3 PIPS的灭菌作用

本文所参考PIPS应用于根管灭菌的文献中文1篇、英文9篇（表2[7,10-18]），研究方法主要有：菌落计数、扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜、组织学染色等，大多数（8篇）文献实验结果表明PIPS荡洗根管与常规的根管荡洗方法相比，细菌清除效率有明显的提高，但也有实验结果表明PIPS对冲洗剂的灭菌效果并没有明显的改善。细菌生物膜培养3～4周可形成成熟的生物膜[54]，培养时间越长，抗药性越强，这可能会影响实验的结果。菌落计数不能体现PIPS根管不同部位是否会有更好的清理效果，也不能验证在牙本质小管深部的灭菌效果。扫描电子显微镜样本经脱水、干燥、固定、染色处理后，会破坏细菌生物膜结构，且能观察的范围有限。激光共聚焦显微镜方法使用的染色剂可能同时对死去的细菌细胞进行染色，如果死菌的细胞膜保持不变，将导致观察到的细菌减少量小于实际减少量。所以在研究设计时，需要多种实验方法相结合，以弥补相互不足之处。除此之外，牙根数量、根管弯曲度、根管长度、参数设置、菌种差异[9,55]等因素也可能会影响实验的结果，所以PIPS荡洗根管的灭菌作用仍然需要采用更多的有效实验方法进行论证。

表2 PIPS灭菌效果的相关文献汇总Tab 2 Summary of related literature on sterilization effect of PIPS

3.4 PIPS去除玷污层的作用

本文参考PIPS应用于玷污层去除的相关文献中文2篇、英文12篇（表3[10,20-25,30-36]），研究方法主要为扫描电子显微镜玷污层观察评分，大部分研究（11篇文献）表明PIPS技术能够活化根管冲洗液，有效去除玷污层，但是仍有实验结果差异。相关实验[33]表明：在使用相同的激光参数时，不同的根长和不同的冲洗剂可能无法达到产生相同空穴效果的目的，更长的根可能需要更多的能量输入才能产生强大的压力幅度；且在这些初步研究中，仅使用了有限数量的扫描电子显微镜图像评估玷污层的去除效果。因此，仍然需要进一步的研究，以通过更连续的可视化方法来观察根管壁上的玷污层和牙本质碎屑。不同冲洗剂、不同根长、不同参数、不同根管弯曲度等因素均可能导致结果的差异，且目前缺少相关的临床试验，所以需要更多的标准化体外实验数据及根管治疗的临床试验结果来论证这些因素带来的影响。

表3 PIPS去除玷污层作用的文献汇总Tab 3 Summary of the literature on the role of PIPSin removing the smear layer

3.5 PIPS对牙本质碎屑的清除效果

本文所参考PIPS在去除根管内碎屑的研究有英文文献4篇（表4[26-28,38]），该研究应用的主要方法是：显微镜下拍照，碎屑评分以及micro-CT等，均能体现良好的去除根管内碎屑的效果。PIPS依靠脉冲能量在整个根管系统中传输声波，以破坏碎屑并促进液体交换，从而使冲洗液产生剪切力以去除根管内的碎屑。相关研究[37-38]表明：与常规冲洗相比，PIPS冲洗可以将清除下颌磨牙复杂管腔中碎屑的能力提高约2.6倍，在根尖能更有效地去除牙本质碎屑。但是相关研究数量较少，在使用不同激光参数、不同工作模式、工作尖放置位置不同、实验对象不同时，可能存在效果的差异，仍然需要进一步的研究。

表4 PIPS对牙本质碎屑清除效果的文献汇总Tab 4 Summary of literature on the effect of PIPSon dentin debris removal

3.6 PIPS清除根管内药物的作用

本文参考PIPS在去除根管内药物的研究有英文文献3篇（表5[8,19,29]），所使用的研究方法均为micro-CT，这些研究都体现出PIPS荡洗根管具有良好的去除根管内氢氧化钙的效果，对根管充填具有一定的积极作用，也有利于纤维桩的粘接[56]。而PIPS去除不同根管充填材料和药物、对不同作用对象的效果是否存在差异，仍然有待于进一步研究。

表5 PIPS清除根管内药物作用的文献汇总Tab 5 Summary of the literature on the effect of PIPSin removing drugs in the root canal

3.7 PIPS对牙本质小管渗透作用的影响

本文所参考PIPS对根管渗透性影响的研究仅有3篇英文文献（表6[35,41-42]），所使用观察方法为激光共聚焦显微镜，实验结果均体现为PIPS可以使更多的牙本质小管开放，增加冲洗剂的渗透率，使荡洗液能更易进入牙本质小管，且有利于根管充填糊剂进入侧枝根管，以提高封闭剂的密封性[57]，有效避免残留细菌的集聚和根管的再感染[58]。但是仍然需要使用不同根管冲洗液进行比较，进一步评价PIPS的效果。

表6 PIPS对牙本质小管渗透作用影响的相关文献汇总Tab 6 Summary of related literature on the effect of PIPSon dentinal tubule penetration

3.8 PIPS的安全性

1）根尖溢出。Arslan等[44]的研究表明：通过比较荡洗上颌第一磨牙的近中弯曲根管（Schneider法评定10°～20°）的各种方法，PIPS（15 Hz、20 mJ、50μs、0.3 W）荡洗技术比CI系统碎屑挤出量更多。而Vidas等[43]通过收集大锥度锉预备后的上颌中切牙根尖溢出液并称重，得出结论：PIPS（15 Hz、10 mJ、50μs）荡洗根管根尖孔挤压冲洗液的数量较少，表明与常规冲洗方法相比，LAI更为安全。

2）热损伤。在激光的使用过程中，过长时间、高功率的激光照射往往会引起热损伤等问题，相关的研究[36]中PIPS在低能量设置下（15 Hz、20 mJ、50μs、0.3 W）辐照根管，观察牙根表面平均温度，在20和40 s辐照时间组分别升高了1.2 和1.5℃，仍然在安全范围以内。

3）根管微裂。有学者[24]将PIPS的0.3、0.6和0.9 W的能量设置相对比后发现：PIPS在0.9 W功率下，增加了根管微渗漏的可能性，并且在与PUI联用时出现了根管微裂的现象，而由于样本量较少，微裂发生的机制尚不能明确，仍然需要进一步实验证实其安全性。

4）根管治疗后疼痛。根管治疗后疼痛是根管治疗的一大问题，发生率高达83.5%，目前旨在调查LAI是否会引起患者治疗后疼痛的相关研究表明：PIPS（15 Hz、20 mJ、50μs、0.3 W）不会加重术后疼痛反应，甚至会使疼痛发生率降低[47]。

所以，目前的研究表明：PIPS的安全性能较好，但是仍然存在根尖溢出液、碎屑增加和根管微裂等争议，需要进一步的实验验证。

3.9 PIPS对根尖牙乳头干细胞的作用

除了以上方面，PIPS对根尖牙乳头干细胞的作用也具有重要的临床意义，在牙髓再生的过程中，如何彻底消毒根管系统而不损伤根尖周的干细胞至关重要，PIPS能有效破坏生物膜，增强根管内的抗菌效果，为牙髓再生提供更好的环境，Er:YAG激光的相关体外实验表明其对牙髓干细胞分化为成牙本质细胞起到了促进作用[59]，但是目前尚无PIPS系统对根尖牙乳头干细胞是否有促进分化的作用或者是否有细胞毒性的相关研究。

4 结论

综上所述，Er:YAG激光PIPS技术在灭菌、增加牙本质小管渗透性、去除玷污层及牙本质碎屑、去除根管内氢氧化钙等方面有显著的成效，相比于其他方法不仅可以不损伤牙体组织，还能够减少各种并发症，但是仍有部分实验结果未能体现PIPS的优势。

以往PIPS的研究存在以下问题。1）实验对象标准化：缺乏不同根管长度和不同弯曲度的离体牙作为研究对象的相关研究；2）实验过程及方法标准化：在使用不同根管冲洗药物时，冲洗剂浓度、冲洗时间、冲洗针头及方法对PIPS辅助荡洗的效果产生影响；3）缺乏PIPS是否会引起根管微裂等损伤的相关参数研究；4）根尖溢出冲洗液和挤压碎屑的研究：应进一步完善实验，从根尖周环境的模拟、根尖孔大小的统一、参数设置等方面进一步探索其安全性；5）PIPS标准参数应用：应进一步探究PIPS在不同功率下的根管清理效果是否有差异；6）比较不同激光的作用效果：因为类型不同、原理不一、参数是否有可比性也有待进一步探究；7）应增加随机、对照的临床试验研究，进一步评价其临床应用效果；8）研究方法的差异：如采用激光共聚焦显微镜、细菌培养、扫描电子显微镜等观察。

近年来，随着Er:YAG激光辅助根管荡洗技术的不断发展，研究者研发了发射尖连续脉冲发射技术（shock wave enhanced emission photoacoustic streaming，SWEEPS），SWEEPS利用连续发射短脉宽的脉冲串，使荡洗液产生空穴效应，增加荡洗液对根管壁的压力与切削能力，从而进一步增强Er:YAG激光辅助荡洗的效果[60]。有相关研究[50-51]结果表明：SWEEPS可以降低对根尖部产生的压力，从而减少冲洗液溢出根尖孔，更为安全、高效。由于该技术的研究尚少，其在根管荡洗中的作用、参数设置、研究对象选择等方面，仍然需要进一步临床研究证实。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。