Er∶YAG激光SWEEPS双脉冲模式激活荡洗在自由水域中的气泡动力学观测

何新宇 李依洲 聂铭远 于悦 陈浩天 潘翀 赵继志

根管治疗术是治疗牙髓病的首选方法,通过高效的化学预备完善清理根管系统中感染物质是治疗过程中的重要步骤[1]。随着铒激光激活荡洗技术不断被开发,其中光子引导的光声流效应(photon-induced photoacoustic streaming, PIPS)技术已经被学者们从多个角度证实具有良好的根管化学消毒能力,且清理效率优于传统冲洗针及超声激活荡洗[2-7]。 2014 年,有学者提出光声流同步瞬变(photo acoustic synchronized transients, PHAST)的概念,尝试使用双脉冲脉冲串的激光工作模式增强荡洗的效果,并在在后续的几年内将这种理念演变成为光子增强的光声流效应(shock wave enhanced emission photoacoustic streaming, SWEEPS)技术[8-9]。近年来, SWEEPS技术被许多学者进一步研究,并证实可以达到更好的抗感染效果[10-13]。本研究拟通过高速摄像的方式,在自由水域中观测铒激光SWEEPS模式双脉冲形成的蒸汽气泡间的相互作用关系,为SWEEPS技术的流体动力原理解析以及临床应用提供直接证据。

1 资料与方法

1.1 研究模型的制备

本研究在体外自由水域模型中进行,该模型为30 mm×30 mm×50 mm的5面长方体,由透明树脂材料3D打印而成(图1A)。

图1 研究方法

1.2 仪器与设备

本试验选择波长2 940 nm的Er∶YAG激光器(Fotona,斯洛文尼亚)作为激光发生装置,装配牙科专用手柄(H14, Fotona,斯洛文尼亚)9 mm锥形工作尖(型号89036, Fotona, 斯洛文尼亚)。

1.3 激光器参数的复核

连接激光功率计探头与功率计(上海捷锐企业有限公司),将Er∶YAG激光工作尖固定于功率计传感器正上方1 cm处。激活Er∶YAG激光,将功率计稳定后的读数记录为实际输出功率。确定Er∶YAG激光功率与实际输出功率相符。

1.4 Er∶YAG激光实验参数的设置

Er∶YAG激光蒸汽气泡动力观测模型的建立如图1B。连接Er∶YAG激光器、手具与工作尖,并将工作尖垂直固定于模型中,尖端5 mm置于液面下,保持液面下激活, 产生稳定的气泡。Er∶YAG激光按照以下参数进行激励:(1)激光模式设置为超短脉宽模式(super short pulse, SSP),以此作为对照组(脉宽为50 μs),激励频率设置为20 Hz,单脉冲能量设置为20 mJ; (2)激光模式设置为X-SWEEPS模式,激励频率设置为20 Hz,单脉冲能量设置为20 mJ;脉冲间隔设置为150～600 μs(以50 μs为间隔递增)。

1.5 蒸汽气泡动力观测模型的的建立

高速摄像测量系统的建立如图2。微测量定位系统保证工作尖初始位置的准确。高速摄像系统(i-SPEED726mono144GB, iX Cameras Ltd,UK)用于捕捉气泡的形态变化及实际脉冲间隔。该高速摄像系统全画幅分辨率为2 048×1 536 像素,帧频为8 512 帧/s(frames per second, FPS),本实验中选用帧频为200 000 FPS,即快门时间为5 μs,降低分辨率至280×294 像素。同时,为了进一步观测液相中清晰的气泡边缘形态,在模型背侧放置了75 000流明的LED灯(MODEL U-100S, 长沙湖南科天健光电技术有限公司)作为照明系统。

A～C: 第一脉冲蒸汽气泡膨胀过程; C: 第一脉冲蒸汽气泡体积最大时图像; D: 第一脉冲蒸汽气泡坍塌至中心; E: 第一脉冲蒸汽气泡坍塌后再次进入膨胀(空泡的振荡); F: 第二脉冲输入起始状态(红色箭头所示为第二脉冲蒸汽气泡形成初期); G～H: 第二脉冲蒸汽气泡不断膨胀至最大体积,同时第一脉冲蒸汽气泡持续震荡; I～J: 第一脉冲及第二脉冲气泡不断振荡至重新融入水中; K～L: 蒸汽气泡直径(D)以及气泡残余与工作尖尖端的距离(L)测量方式(以600 μm工作尖作为比例尺进行测量)

1.6 图像及数据的测量方法

图2为SWEEPS双脉冲技术在自由水域中的典型气泡动力过程,脉冲间隔设置为350 μs,图2A～2J是一个完整的气泡脉动过程。图2C中黄色圈(155 μs)标记是第一脉冲蒸汽气泡在最大体积时的图像,此时的气泡直径将会被测量,方法如图2K,以工作尖直径600 μm作为比例尺测量气泡直径(diamter,D)。图2H中红色圈为第二脉冲蒸汽气泡最大体积。图2F中红色箭头标记第二脉冲输入起始状态,即375 μs为实际脉冲间隔。 图2J中红色线为蒸汽气泡残余消失前的最后图像,此时蒸汽气泡残余最远端距离工作尖尖端的距离(length，L)将被测量，测量方法如图2L中，同样以工作尖直径600 μm作为比例尺进行测量。

1.7 统计与分析

本文使用Graphpad 5.0对蒸汽气泡最大体积及蒸汽气泡残余最远端距离分别采用单因素方差分析进行统计分析,P<0.05具有统计学差异。

2 结 果

2.1 自由水域中Er∶YAG激光SWEEPS双脉冲模式形成的蒸汽气泡图像特征

实验发现,当脉冲间隔小于300 μs时,第二脉冲形成的蒸汽气泡与第一脉冲形成的蒸汽气泡相融合,不会形成双气泡。并且,在自由水域模型中,融合气泡的体积在不同脉冲间隔间无统计学差异(图3U)。

A～E、 K～O: 第二脉冲输入时刻图像,气泡下方可以观测到气泡根方有不规则的波动(a图中红色箭头所示),表明第二脉冲能量在此时输入; F～J、 P～T: 第一脉冲蒸汽气泡最大体积时刻典型图像。第二脉冲输入后不会形成蒸汽气泡,但会使第一脉冲形成的蒸汽气泡发生变化(b图中蓝色箭头所示); U: 脉冲间隔在120～300 μs间,不同脉冲间隔下的融合气泡直径无统计学差异

在自由水域模型中,当脉冲间隔为320～600 μs间时,第二脉冲输入形成独立的蒸汽气泡(图4)。随着脉冲间隔时间的增加(320～480 μs),第一脉冲残留蒸汽气泡不断向根方移动,并且体积逐渐缩小,同时第二脉冲形成的蒸汽气泡会与第一脉冲残余蒸汽气泡间发生碰撞(图4a～4o)。可以观测到当脉冲间隔为360～440 μs间时,第二脉冲形成的独立蒸汽气泡最大体积明显缩小(图4A～4O),这提示20 mJ单脉冲能量的SWEEPS双脉冲模式,在360～440 μs的脉冲间隔设置时,2 个脉冲形成的蒸汽气泡间可以发生比较剧烈的碰撞。随着脉冲间隔时间的继续增加(500～600 μs),第二脉冲输入时,第一脉冲蒸汽气泡的残余与工作尖尖端距离不断增加,第二脉冲形成的蒸汽气泡与第一脉冲形成的蒸汽气泡间不再发生碰撞,互相脱离。

a-o: 第二脉冲输入时刻图像,可以观测到随着脉冲间隔的增加,第二脉冲输入时,第一脉冲蒸汽气泡残留不断向根方移动,并且体积逐渐缩小; A-O: 第二脉冲形成的独立蒸汽气泡最大体积时刻典型图像。当脉冲间隔在320～380 μs间,第二脉冲蒸汽气泡最大体积逐渐缩小;当脉冲间隔在380～480 μs间,第二脉冲蒸汽气泡最大体积逐渐增大;脉冲间隔为500～600 μs间,第二脉冲蒸汽气泡体积基本不变; P: 脉冲间隔与第二脉冲形成的独立蒸汽气泡直径关系统计

2.2 在自由水域中Er∶YAG激光双脉冲形成蒸汽气泡的相互作用效果

本实验使用气泡碰撞后残余气泡游离的最远端距离来对蒸汽气泡的相互作用效果进行评估,其变化趋势如图5。当脉冲间隔小于320 μs时,蒸汽气泡残余最远端距离无明显变化。随着第二脉冲独立气泡的出现,第二脉冲与第一脉冲蒸汽气泡的残余发生撞击,推动第一脉冲气泡残余最远端距离增大。当脉冲间隔为360～440 μs间时,气泡残余最远端距离最大,这也提示两个脉冲形成的蒸汽气泡间发生的碰撞在此脉冲间隔区间内更加剧烈。随着脉冲间隔的增加,气泡残余最远端距离逐渐减小,并接近于没有第二脉冲独立气泡的水平(与脉冲间隔为100～320 μs区间时的气泡残余最远端距离相似)。

A-Y: 蒸汽气泡消失前,气泡残余出现在工作尖根方最远端的图像。红色虚线显示蒸汽气泡残余最远端位置; Z: 气泡残余最远端距离随脉冲间隔变化趋势图,其中当脉冲间隔位于100～320 μs时,气泡残余最远端距离无明显改变;当脉冲间隔为320～440 μs时,气泡残余最远端距离增大;当脉冲间隔为440～600 μs时,气泡残余最远端距离减小,并逐渐接近于100～320 μs时的距离

2.3 在自由水域中20 mJ单脉冲能量SSP模式下气泡动力图像特征

自由水域中, 20 mJ单脉冲能量SSP模式下形成蒸汽气泡的膨胀周期在150 μs,总周期在270 μs(图6)。

A: 脉冲能量输入时刻; B: 蒸汽气泡体积最大时刻约在150 μs; C: 蒸汽气泡完全塌缩时刻约在280 μs; D: 蒸汽气泡消失前时刻(红色箭头示残留的云空泡)

3 讨 论

彻底清理根管系统中的感染物一直是牙髓治疗的重点和难点。目前,尚未能开发出一种化学预备方式可以对根管系统内的感染进行完美地清理,因此进一步开发激光激活荡洗技术有着重要的意义[14]。

铒激光与水之间的作用遵循光学物理定律,波长为2 940 nm的铒激光可以被OH-基团吸收(μa=1.247×106m-1)[15-16]。当铒激光工作尖位于荡洗液中时,输出的脉冲能量可以被周围薄层水分子吸收,光能转化的热能瞬间可以使水达到沸点,并在工作尖末端形成蒸汽气泡[7]。SWEEPS技术与PIPS技术的本质区别在于SWEEPS技术将总能量分为2 个一组的脉冲串进行输出。本研究中观察了SWEEEPS双脉冲模式,在脉冲间隔设置100～600 μs间时,形成的蒸汽气泡动力效果,阐述了自由水域中不同脉冲间隔条件下的蒸汽气泡相互作用现象。按照图4的结果,将自由水域中的气泡间相互作用关系分为以下3 种类型:(1)双气泡融合:脉冲间隔位于100～300 μs范围内时,第二脉冲能量输入不产生独立的蒸汽气泡;(2)双气泡撞击:脉冲间隔位于320～480 μs范围内时,第二脉冲能量输入产生独立蒸汽气泡,并于第一脉冲的蒸汽气泡残余发生碰撞。其中,当脉冲间隔为360～440 μs间时,双气泡间产生强烈碰撞;(3)双气泡脱离:脉冲间隔位于500～600 μs范围内时,第二脉冲能量输入产生独立蒸汽气泡,但与第一脉冲的蒸汽气泡残余不发生碰撞,相互脱离。

先前Er∶YAG激光双气泡模式的研究结果显示,第二脉冲的输入可以增强荡洗效果。部分文章中指出,双脉冲模式增强荡洗效果的主要原因有融合蒸汽气泡体积的增加、以及第二脉冲能量的输入加速了第一脉冲蒸汽气泡的破碎[8-9]。本研究中阐述了不同的见解。与先前研究结果相同的是,本研究中也发现了融合蒸汽气泡体积随脉冲间隔发生一定的变化。由于自由水域中, 20 mJ单脉冲能量SSP模式下形成蒸汽气泡的膨胀周期在150 μs,总周期在270 μs,因此,在100～300 μs脉冲间隔设置下,SWEEPS双脉冲模式形成融合蒸汽气泡;并且当第一脉冲形成的蒸汽气泡处于膨胀状态时(膨胀周期所在的150 μs时间内),输入第二脉冲,可以观测到融合气泡的最大体积具有增加的趋势,但没有统计学差异(图3b,脉冲间隔设置为120 μs时,融合气泡最大体积时刻,气泡下方会出现体积增加的现象)。但本研究中没有观测到第一脉冲蒸汽气泡破碎速度增加的现象。本研究中认为双脉冲模式改变蒸汽气泡动力的最重要原因不是融合气泡动力学的改变,而是双脉冲的输入可以形成2 个独立蒸汽气泡,并且气泡间会产生相互撞击。

先前研究中指出,增强荡洗效果的最佳脉冲间隔时间设置为第一蒸汽气泡破碎的时候输入第二脉冲能量,原因为此时输入第二脉冲能量可以加速第一脉冲形成的蒸汽气泡发生更强烈破碎[9]。由于本文中认为双气泡间的相互撞击是荡洗增强的主要原因,所以对最佳脉冲间隔时间设置持不同观点。本研究认为在第一脉冲形成的蒸汽气泡坍缩后延时一段时间输入可能可以获得更好的荡洗增强效果。在本研究中,第一脉冲蒸汽气泡塌缩时间约为300 μs,双气泡间产生强烈碰撞的脉冲间隔时间为360～440 μs。但与前人研究结果相同的是,最佳的脉冲间隔时间均与气泡本身的震荡周期相关。这就导致不同水域限制性,如前牙髓腔、后牙髓腔及自由水域中,即便其他参数设置完全相同,最佳脉冲间隔设置时间也会有一定的差异,会给临床最佳参数的设置带来了一定困难。

4 结 论

本研究的结果提示,在自由水域中, Er∶YAG激光双脉冲SWEEPS模式在适当的脉冲间隔设置条件下,第二脉冲形成的蒸汽气泡会与第一脉冲形成的蒸汽气泡残余相互碰撞,该现象可能可以增强铒激光空穴效应,从而强化Er∶YAG激光激活荡洗的临床效果。