CN112535548A - 一种基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置。所述龈上洁治装置包括光源模块，轨迹控制模块，龈上洁治模块；龈上洁治模块包括上颌龈上洁治模块和下颌龈上洁治模块；所述光源模块生成高重复频率飞秒脉冲激光，分别传输至上颌龈上洁治模块和下颌龈上洁治模块，同时轨迹控制模块实时控制和监测高重复频率飞秒脉冲激光在龈上洁治模块的工作轨迹，以非接触、无热损伤的方式，同时对上下颌牙弓所有牙齿进行高精度、高效率的龈上洁治。

Description

一种基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置

技术领域

本发明涉及生物医疗及超快光学技术领域，特别涉及一种基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置。

背景技术

牙周病是人类口腔的常见病、多发病，包括仅累及牙龈组织的牙龈病和波及牙周膜、牙槽骨等深层牙周组织的牙周炎两大类疾病。第四次全国口腔健康流行病学调查报告显示，我国35–44岁、65–74岁年龄组人群的牙龈出血检出率分别为87.4％、82.6％，牙石检出率分别为96.7％、90.3％，深牙周袋(≥6mm)检出率分别为6.9％、14.7％，附着丧失(≥4mm)检出率分别为33.2％、74.2％。与第三次全国口腔健康流行病学调查结果相比，我国中老年人群的牙周健康率明显下降，牙龈出血和深牙周袋的检出率明显上升，牙周病已经成为影响人们健康和生活质量的重要社会问题。

牙周病是多因素疾病，牙菌斑生物膜是其必不可少的始动因子，多种局部刺激因素和全身因素相互联系、相互影响，参与牙周病的发生发展。牙菌斑是口腔细菌生存、代谢和致病的基础，若没有被及时清洁，将矿化形成牙石，沉积于牙面或修复体表面。流行病学调查表明，牙石量与牙周炎呈明显的正相关。一方面，牙石为菌斑的积聚和矿化提供了理想的表面；另一方面，牙石的多孔结构易于吸收大量的细菌毒素，从而增加对牙龈的刺激。此外，牙石还降低了日常口腔卫生措施的效率和效果，促使更多的菌斑形成。因此，去除牙菌斑和牙石对于牙周病的治疗至关重要(Periodontol2000.2011Feb；55(1):167-88.)。

龈上洁治术是指用洁治器械去除龈上牙石、菌斑和色渍，并磨光牙面，以延迟菌斑和牙石的再沉积。对于牙周病患者，龈上洁治术是所有牙周治疗的第一步。绝大多数的慢性龈缘炎可以通过洁治术治愈，而牙周炎也只有经过洁治术后才能进入下一步的序列治疗。对于牙周健康人群或已经接受过牙周治疗的患者，在日常自我菌斑控制的基础上，需要定期进行龈上洁治术(一般为6–12个月)，从而预防牙龈炎和牙周炎的发生或复发。对于需要进行其他口腔治疗的患者，龈上洁治术是治疗前的重要准备工作。例如，正畸治疗前和治疗期间，患者应进行龈上洁治术，以消除原有的牙龈炎，并预防正畸过程中发生牙龈炎；修复治疗取印模前，患者应进行龈上洁治术，以除去基牙及其他牙齿的龈上牙石，使印模更加准确，义齿的适合性更高；口腔颌面部手术治疗前，患者应进行龈上洁治术，以保证术区周围的清洁，最大程度地降低感染的风险。

传统的龈上洁治采用手工的方法，常用的手工龈上洁治器械包括镰形洁治器和锄形洁治器等。医生采用改良握笔法握持器械，放稳支点，通过腕部发力将牙石向牙合面方向整块刮下。为了避免遗漏需洁治的牙，通常将全口牙齿分为上、下颌及左、中、右六个区段，从上颌或下颌一侧最后一颗牙的远中面开始，逐区逐牙按顺序进行洁治，并且需要灵活地调整医生体位和患者椅位。虽然手工洁治对于牙石和菌斑的去除具有一定的疗效，但是，手工操作的过程费时费力，且操作技巧性强，对技术的要求较高(J Clin DiagnRes.2015Nov；9(11):ZC56-60.)。此外，手工洁治器械通常具有锐利的工作刃，增加了口腔软硬组织损伤的风险。

基于手工操作的局限性，目前临床上多采用超声波洁牙机进行龈上洁治，通过换能器上工作头的高频振荡去除牙石。与传统的手工龈上洁治方式相比，超声波洁治的效率更高，省时省力(J Periodontol.2000 Nov；71(11):1792-801.)。同时，超声洁牙机的微流和“空穴作用”可以比较有效地去除菌斑和内毒素，提高龈上洁治的工作效率。然而，超声波治疗也存在其局限性。一方面，过大的功率将造成对牙面的损伤，且这种损伤随超声功率的增加呈指数样增加。扫描电镜检查发现，小功率在釉质上造成的刻痕较细，大功率造成的刻痕宽。因此，在手持式操作的过程中，如果工作尖不慎直接接触釉质表面或停留于一点上震动，可能会对牙面造成划痕或凿痕等不可逆的损伤。另一方面，由于超声治疗的施力轻，不利于对牙石的探触觉,洁治完成后需要用探针仔细检查牙面是否已刮净，一些细小的牙石可能需要采用手工龈上洁治器械进行补充刮除。

除了上述的局限性，采用手工或超声龈上洁治等机械手段去除龈上牙石还将不可避免地存在以下问题。首先，基于机械方式的龈上洁治将导致部分釉质的丢失，特别是在早期龋、釉质发育不良等脱矿牙面。当牙本质暴露时，牙本质小管可以直接将外界的温度、触觉等刺激传递到牙髓，引起患者的不适症状，降低患者的治疗依从性(Clin OralInvestig.2017 Jun；21(5):1559-1564.)。虽然良好的操作技巧和洁治后的脱敏处理可减少牙本质敏感的发生，但增加了操作的难度和椅旁治疗时间。其次，手工或超声龈上洁治术后,操作器械均会在牙面上留下细小划痕,容易造成菌斑和色素的再沉积。抛光是洁治后必不可少的步骤，用于去除牙面上细小的划痕、牙石碎屑、残留菌斑和色素等，使牙面光洁，减少菌斑的再附着速度和程度，降低牙周病复发的可能性(PeerJ.2018 Feb12；6:e4371.)。常用的抛光技术包括橡皮杯抛光和喷砂抛光。然而，洁治后的抛光处理需要较为繁琐的治疗步骤和较长的椅旁操作时间，增加了口腔软硬组织的损伤风险及对环境污染的可能性。最后，无论是手工还是超声龈上洁治，患者在治疗过程中需要较长时间的张口，治疗结束后可能出现颞下颌关节和肌肉的不适甚至疼痛症状，对于颞下颌关节紊乱的患者尤为明显，有悖于舒适化口腔诊疗的理念和社会-心理-生物的现代医学模式。

激光医疗作为目前生物医学领域的重要技术之一，有望克服手工和超声龈上洁治的局限性，为临床牙周治疗提供一种新的方案。有学者提出将二极管激光器耦合至洁治器中，采用激光清创术协同机械洁治，在机械切割、刮削和碾磨的同时进行激光修整和烧灼。虽然该装置有助于同时消除病态组织和破坏残存的细菌，但仍需要医生手持操作，龈上洁治时所采用的工作头接触区为传统的镰形洁治器，并未克服传统手工龈上洁治的局限性(CN200480040692.7)。有学者提出了一种采用激光清洁牙齿的系统，将激光治疗作为常规机械洁治的替代方案。虽然有望实现对亚微米级污染颗粒的清除，但所采用的激光器重复频率为千赫兹量级，脉宽为纳秒量级，存在对口腔组织的热损伤风险，且洁治的精度和效率有待进一步提高(CN201610926124.1)。针对这一现状，迫切需要开发一种省时省力、无损伤、高精度、高效率的龈上洁治装置。

发明内容

本发明提供一种基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置，采用重复频率为GHz量级、脉宽为飞秒量级的脉冲激光，以非接触、无热损伤的方式，同时对上下颌牙弓所有牙齿进行高精度、高效率的龈上洁治。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置，包括光源模块，轨迹控制模块，龈上洁治模块；龈上洁治模块包括上颌龈上洁治模块和下颌龈上洁治模块；

所述光源模块生成高重复频率飞秒脉冲激光，分别传输至上颌龈上洁治模块和下颌龈上洁治模块，同时轨迹控制模块实时控制和监测高重复频率飞秒脉冲激光在龈上洁治模块的工作轨迹，以非接触、无热损伤的方式，同时对上下颌牙弓所有牙齿进行高精度、高效率的龈上洁治。

进一步地，所述光源模块包括高重复频率飞秒光纤激光器、1×32光纤分束器、第一光纤传输管道、第二光纤传输管道、第一色散补偿组件和第二色散补偿组件；

由高重复频率飞秒光纤激光器发射的高重复频率飞秒脉冲激光输入1×32光纤分束器，高重复频率飞秒脉冲激光被均匀分到32个光纤输出端，每个输出端对应一个牙位；第1输出端至第16输出端进入第一光纤传输管道，通过第一色散补偿组件后与上颌龈上洁治模块相连接，每个输出端对应于上颌的一个牙位；第17输出端至第32输出端进入第二光纤传输管道，通过第二色散补偿组件后与下颌龈上洁治模块相连接，每个输出端对应于下颌的一个牙位。

进一步地，所述轨迹控制模块包括计算机分析组件、监测组件、信号处理组件和驱动组件；计算机分析组件产生各个牙位的目标洁治轨迹信息，上下颌各个牙位的监测组件实时反馈该牙位驱动组件的位置信息，信号处理组件接收各个牙位的目标洁治轨迹信息和各个牙位驱动组件的位置信息并进行综合分析，产生上下颌各个牙位的轨迹控制信号并分别传输给相应牙位的驱动组件，使驱动组件按既定的轨迹运动。

进一步地，所述上颌龈上洁治模块和下颌龈上洁治模块均分别包括信号传输组件及口内洁治组件；上颌龈上洁治模块和下颌龈上洁治模块中的口内洁治组件分别按照牙位分成16个工作单元，各工作单元均容纳有该牙位所对应的光源模块的光纤输出端以及轨迹控制模块的监测组件和驱动组件，无需医生手持器械操作，无需频繁调整医生体位和患者椅位，避免了治疗过程中长时间张口引起的患者不适，实现了对上下颌牙弓所有牙齿的同步龈上洁治。

进一步地，所述高重复频率飞秒光纤激光器发射的高重复频率飞秒脉冲激光的脉宽为飞秒量级，提高了龈上洁治的精度，无需抛光即可获得光洁的牙面；所述高重复频率飞秒光纤激光器发射的高重复频率飞秒脉冲激光的重复频率为GHz量级，提高了洁治效率，避免了热量积累所引起的损伤；

所述1×32光纤分束器包括1个输入端和32个输出端，输入的高重复频率飞秒脉冲激光被均匀分到32个光纤输出端，各个端口的光纤引线均带有护套，每个光纤输出端分别对应于上下颌牙弓中的一个牙位；

所述第一色散补偿组件和第二色散补偿组件用于补偿光纤对高重复频率飞秒脉冲激光的色散展宽，以确保用于龈上洁治的高重复频率飞秒脉冲激光的脉宽为飞秒量级。

进一步地，所述计算机分析组件对由现有的口腔扫描装置获取的全牙列口腔扫描结果和龈上洁治模块的牙位分区结构进行整合分析，从而获得高重复频率飞秒脉冲激光在各个牙位的目标洁治轨迹。

进一步地，分别有16个驱动组件设置在上颌龈上洁治模块和下颌龈上洁治模块，分别对应于各个牙位；每个驱动组件上锚定有该牙位所对应的监测组件，实时监测驱动组件的位置并将该信息反馈给信号处理组件；每个驱动组件上锚定有该牙位所对应的光纤输出端，通过控制驱动组件的工作轨迹，可以间接控制高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治轨迹。

进一步地，所述信号传输组件的内部设置有三个通道，分别用于输入轨迹控制信号、输入脉冲激光信号和输出驱动组件的实时位置信息；信号传输组件的外表面光滑圆钝，位于上下唇之间，与口内洁治组件为一体化结构，一方面可避免由于咬合升高、上下唇分离所导致的唇部肌肉疲劳，另一方面为医生的操作提供了握持手柄，便于引导龈上洁治模块在患者的口腔内就位。

进一步地，所述口内洁治组件呈牙弓形弯曲，并在唇颊系带处形成相应的切迹，避免造成患者不适；口内洁治组件包括底壁、颊侧壁和舌侧壁，当口内洁治组件在口腔中就位时，与牙齿唇颊面、舌腭面、牙合面接触的壁分别称为颊侧壁、舌侧壁、底壁，由底壁、颊侧壁和舌侧壁围成的空间用于容纳上下颌牙列；底壁、颊侧壁和舌侧壁均为双层结构，各个牙位所对应的驱动组件、监测组件和光纤输出端均位于内外层结构之间，信号传输组件连接颊侧壁外层且三个通道连通至外层和内层之间；

内层结构为光穿透材料，脉冲激光透过内层结构照射到目标洁治部位；外层结构的外表面光滑圆钝，避免对口腔黏膜软组织产生刺激，外层结构的内表面设置有滑轨，使驱动组件按照既定轨迹滑动，进而使得高重复频率飞秒脉冲激光按照既定轨迹进行龈上洁治。

进一步地，口内洁治组件的远中端均设置有可以前后滑动的调节部件，分别对应于口内洁治组件中的一个工作单元；对于第三磨牙已经萌出的牙位，可将相应位置的调节部件向前滑出后再就位于口腔内，实现对第三磨牙的龈上洁治；对于第三磨牙尚未萌出的牙位，无需将调节部件滑出，此时，该调节部件对应的工作单元负责第二磨牙远中面的龈上洁治。

与现有的技术相比，本发明的有益效果如下：

1.与手工龈上洁治、超声龈上洁治等机械方式相比，本发明所提出的龈上洁治装置采用高重复频率飞秒脉冲激光，以非接触、非机械研磨的方式进行龈上洁治。一方面，避免了洁治术后牙本质敏感的发生，有助于提高患者的治疗依从性；另一方面，洁治后的牙面无划痕或凿痕，无需进行抛光即可获得光洁的牙面，降低了菌斑再附着和牙周病复发的可能性，减少了临床治疗步骤和椅旁操作时间，避免了抛光造成口腔软硬组织损伤的风险。

2.与手工龈上洁治、超声龈上洁治等机械方式相比，本发明所提出的的龈上洁治装置呈牙弓形弯曲，每个牙位对应于一个工作单元，各工作单元同时工作，实现了对上下颌牙弓所有牙齿的同步洁治。一方面，无需医生手持洁治器械进行操作，且不需要频繁调整医生体位和患者椅位，省时省力，降低了龈上洁治的技术难度，提高了临床工作效率；另一方面，患者在治疗过程中不需要较长时间的张口，避免了洁治术后出现颞下颌关节和肌肉的不适甚至疼痛症状，符合舒适化口腔诊疗的理念和社会-心理-生物的现代医学模式。

3.与手工龈上洁治、超声龈上洁治等机械方式相比，本发明所采用的龈上洁治装置表面光滑圆钝，不存在锐利的工作刃或工作尖，避免了口腔软硬组织损伤的潜在风险，有助于提高临床诊疗的安全性。

4.与采用脉宽为纳秒量级的脉冲激光进行龈上洁治的方式相比，本发明提出采用脉宽为飞秒量级的脉冲激光进行龈上洁治。脉宽为纳秒量级的长脉冲激光基于牙石中的电子共振线性吸收获得的能量将其逐步熔化、蒸发移除，由于激光脉冲持续时间较长，远大于热扩散的时间，电子传递给离子的能量很高，热扩散涉及比焦点更大的区域，激光聚焦点周围一个较大的体积会被熔化，使得工作区域边缘不清晰，精度有限。相反，本发明所采用的超快激光脉冲能够聚焦到超细微空间领域，持续时间远短于自由电子与牙石之间能量转移的时间。超快激光脉冲在极短的时间和极小的空间内与牙石相互作用，能量以等离子体的形式被迅速带走，龈上洁治的精度高，并且避免了热量积累所导致的屏蔽效应、饱和现象、热损伤等不良影响。

5.与采用重复频率在kHz量级的脉冲激光进行龈上洁治的方式相比，本发明采用重复频率为GHz量级的飞秒脉冲激光进行龈上洁治。当采用kHz量级的低重复频率脉冲激光时，有效的洁治需要单脉冲能量达到阈值，同时避免过高的单脉冲能量所引起的热积累，洁治的速率较低，相关激光技术的复杂性较高。相反，本发明所采用的飞秒脉冲激光重复频率高达GHz量级，在一个脉冲的残余热量还没有来得及从工作区域扩散前，下一个脉冲已经达到工作区域，洁治的效率提高，且洁治所需的单脉冲能量降低，避免了热量积累所导致的屏蔽效应、饱和现象、热损伤等不良影响。

附图说明

图1为本实施例基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置结构示意图；

图2a为采用连续激光进行龈上洁治的效果示意图；

图2b为本实施例采用纳秒脉冲激光激光进行龈上洁治的效果示意图；

图2c为本实施例采用飞秒脉冲激光进行龈上洁治的效果示意图；

图3为本实施例所采用的高重复频率脉冲激光与低重复频率脉冲激光的对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例：

一种基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置，如图1所示，包括光源模块，轨迹控制模块，龈上洁治模块；龈上洁治模块包括上颌龈上洁治模块和下颌龈上洁治模块；

所述光源模块生成高重复频率飞秒脉冲激光，分别传输至上颌龈上洁治模块和下颌龈上洁治模块，同时轨迹控制模块实时控制和监测高重复频率飞秒脉冲激光在龈上洁治模块的工作轨迹，以非接触、无热损伤的方式，同时对上下颌牙弓所有牙齿进行高精度、高效率的龈上洁治。

如图1所示，所述光源模块包括高重复频率飞秒光纤激光器1、1×32光纤分束器2、第一光纤传输管道3、第二光纤传输管道4、第一色散补偿组件5和第二色散补偿组件6；

所述高重复频率飞秒光纤激光器1发射的高重复频率飞秒脉冲激光的脉宽为飞秒量级，提高了龈上洁治的精度，无需抛光即可获得光洁的牙面；所述高重复频率飞秒光纤激光器1发射的高重复频率飞秒脉冲激光的重复频率为GHz量级，提高了洁治效率，避免了热量积累所引起的损伤；

所述1×32光纤分束器2包括1个输入端和32个输出端，输入的高重复频率飞秒脉冲激光被均匀分到32个光纤输出端，各个端口的光纤引线均带有护套，每个光纤输出端分别对应于上下颌牙弓中的一个牙位；

所述第一色散补偿组件5和第二色散补偿组件6用于补偿光纤对高重复频率飞秒脉冲激光的色散展宽，以确保用于龈上洁治的高重复频率飞秒脉冲激光的脉宽为飞秒量级。

由高重复频率飞秒光纤激光器1发射的高重复频率飞秒脉冲激光输入1×32光纤分束器2，高重复频率飞秒脉冲激光被均匀分到32个光纤输出端，每个输出端对应一个牙位；第1输出端至第16输出端进入第一光纤传输管道3，通过第一色散补偿组件5后与上颌龈上洁治模块相连接，每个输出端对应于上颌的一个牙位；第17输出端至第32输出端进入第二光纤传输管道4，通过第二色散补偿组件6后与下颌龈上洁治模块相连接，每个输出端对应于下颌的一个牙位。

如图1所示，所述轨迹控制模块包括计算机分析组件7、监测组件8、信号处理组件9和驱动组件10；计算机分析组件7产生各个牙位的目标洁治轨迹信息，上下颌各个牙位的监测组件8实时反馈该牙位驱动组件10的位置信息，信号处理组件9接收各个牙位的目标洁治轨迹信息和各个牙位驱动组件10的位置信息并进行综合分析，产生上下颌各个牙位的轨迹控制信号并分别传输给相应牙位的驱动组件10，使驱动组件10按既定的轨迹运动。

所述计算机分析组件7对由现有的口腔扫描装置获取的全牙列口腔扫描结果和龈上洁治模块的牙位分区结构进行整合分析，从而获得高重复频率飞秒脉冲激光在各个牙位的目标洁治轨迹。

分别有16个驱动组件10设置在上颌龈上洁治模块和下颌龈上洁治模块，分别对应于各个牙位；每个驱动组件10上锚定有该牙位所对应的监测组件8，实时监测驱动组件10的位置并将该信息反馈给信号处理组件9；每个驱动组件10上锚定有该牙位所对应的光纤输出端，通过控制驱动组件10的工作轨迹，可以间接控制高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治轨迹。

如图1所示，所述上颌龈上洁治模块和下颌龈上洁治模块均分别包括信号传输组件11及口内洁治组件12；上颌龈上洁治模块和下颌龈上洁治模块中的口内洁治组件12分别按照牙位分成16个工作单元，各工作单元均容纳有该牙位所对应的光源模块的光纤输出端以及轨迹控制模块的监测组件8和驱动组件10，无需医生手持器械操作，无需频繁调整医生体位和患者椅位，避免了治疗过程中长时间张口引起的患者不适，实现了对上下颌牙弓所有牙齿的同步龈上洁治。

所述信号传输组件11的内部设置有三个通道，第一通道13用于输入脉冲激光信号，第二通道14用于输入轨迹控制信号，第三通道15用于输出驱动组件10的实时位置信息；信号传输组件11的外表面光滑圆钝，位于上下唇之间，与口内洁治组件12为一体化结构，一方面可避免由于咬合升高、上下唇分离所导致的唇部肌肉疲劳，另一方面为医生的操作提供了握持手柄，便于引导龈上洁治模块在患者的口腔内就位。

如图1所示，所述口内洁治组件12呈牙弓形弯曲，并在唇颊系带处形成相应的切迹，避免造成患者不适；口内洁治组件包括底壁、颊侧壁和舌侧壁，当口内洁治组件在口腔中就位时，与牙齿唇颊面、舌腭面、牙合面接触的壁分别称为颊侧壁、舌侧壁、底壁，由底壁、颊侧壁和舌侧壁围成的空间用于容纳上下颌牙列；底壁、颊侧壁和舌侧壁均为双层结构，各个牙位所对应的驱动组件10、监测组件8和光纤输出端均位于内层结构16和外层结构17之间，信号传输组件连接颊侧壁外层且三个通道连通至外层和内层之间；

内层结构16为光穿透材料，脉冲激光透过内层结构16照射到目标洁治部位；外层结构17的外表面光滑圆钝，避免对口腔黏膜软组织产生刺激，外层结构17的内表面设置有滑轨18，使驱动组件10按照既定轨迹滑动，进而使得高重复频率飞秒脉冲激光按照既定轨迹进行龈上洁治.

口内洁治组件12的远中端均设置有可以前后滑动的调节部件19，分别对应于口内洁治组件12中的一个工作单元；对于第三磨牙已经萌出的牙位，可将相应位置的调节部件19向前滑出后再就位于口腔内，实现对第三磨牙的龈上洁治；对于第三磨牙尚未萌出的牙位，无需将调节部件19滑出，此时，该调节部件19对应的工作单元负责第二磨牙远中面的龈上洁治。

本发明所提出的龈上洁治装置采用高重复频率飞秒脉冲激光，以无接触、非机械研磨的方式实现了高精度、高效率的龈上洁治。如图2a所示，连续波激光主要通过熔化作用来去除牙石，将产生一个较大的热影响区，容易损伤正常牙体组织。如图2b所示，脉宽为纳秒量级的长脉冲激光基于牙石中的电子共振线性吸收获得的能量将其逐步熔化、蒸发移除，虽然所产生的热影响区较小，但由于激光脉冲持续时间较长，远大于热扩散的时间，电子传递给离子的能量很高，热扩散涉及比焦点更大的区域，激光聚焦点周围一个较大的体积会被熔化，使得工作区域边缘不清晰，精度有限。本发明中采用脉宽为飞秒量级的超快激光脉冲，如图2c所示，超快激光脉冲能够聚焦到超细微空间领域，持续时间远短于自由电子与牙石之间能量转移的时间。超快激光脉冲在极短的时间和极小的空间内与牙石相互作用，能量以等离子体的形式被迅速带走，热量来不及扩散，热影响区非常小，不会产生重铸层，龈上洁治的精度高，且避免了热效应带来的诸多负面影响。虽然采用飞秒脉冲激光可以精确和无热损伤地进行龈上洁治，但受到了洁治速度和激光技术复杂性的限制。技术的复杂性源于有效的龈上洁治需要脉冲能量达到阈值但又不可以过高，虽然可以通过增加单脉冲能量来提高洁治效率，但是将伴随出现热量积累的不良效应，例如屏蔽效应、饱和现象、热损伤等。本发明采用重复频率为GHz量级的飞秒脉冲激光进行龈上洁治，在一个脉冲的残余热量还没有来得及从工作区域扩散前，下一个脉冲已经达到工作区域。如图3所示，定性地分析，假设所需要去除的龈上牙石体积为V₀，两束脉冲激光除了重复频率外其他参数均相同。在t₀时刻，低重复频率和高重复频率脉冲激光分别作用于牙齿表面的龈上牙石，去除的龈上牙石体积均为V₁，热扩散范围的体积均为(V₂-V₁)。在t₁时刻，低重复频率脉冲激光处于脉冲间隔阶段，去除的龈上牙石体积仍为V₁，热扩散持续发生，体积达到(V₃-V₁)，V₃＞V₂；高重复频率脉冲激光作用于龈上牙石，去除的龈上牙石体积达到V₀，热扩散范围为(V₃-V₀)，V₀＞V₁。在t₂时刻，低重复频率脉冲激光作用于龈上牙石，热扩散范围的体积已高达V₄，V₄＞(V₃-V₁)＞(V₂-V₁)；所去除的龈上牙石体积达到V₅，V₀＞V₅＞V₁。在高重复频率脉冲激光所作用的牙齿，热量随着龈上牙石的去除而带走，t₁时刻体积为(V₃-V₀)的热扩散区在t₂时刻已恢复正常温度。因此，与低重复频率脉冲激光相比，采用高重复频率脉冲激光进行龈上洁治的效率更高，且避免了热量积累带来的不良影响。进一步进行定量分析，在激光脉冲间隔所扩散的热能为E_heat：

其中，τR为脉冲间隔时间，即重复频率的倒数；τ0为热驰豫时间，与激光作用物体的深度或横截面的侧向半径成正相关，与热扩散率α成反相关；T₀为物体表面的初始温度，T_c为烧蚀发生的阈值温度，ΔT为单个激光脉冲引起的瞬时温度增量，与脉冲能量E_p成正相关，δT为单个激光脉冲引起的温度的净增加量；m为N个脉冲中开始发生烧蚀的脉冲数。对于低重复频率的脉冲激光，τR＞＞τ0，取极限情况，将

视作趋近于0，即δT＝0，脉冲间隔所扩散的热量E_heat＝α(T_c-T₀)NE_p。对于高重复频率的脉冲激光，τR＜或≈τ0，取极限情况，将

视作趋近于1，即δT＝ΔT，脉冲间隔所扩散的热量E_heat＝0，避免了热量积累带来的损伤，提高了洁治效率。

上述实施例为本发明的实施方式之一，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置，其特征在于，包括光源模块、轨迹控制模块和龈上洁治模块；龈上洁治模块包括上颌龈上洁治模块和下颌龈上洁治模块；

所述光源模块生成高重复频率飞秒脉冲激光，分别传输至上颌龈上洁治模块和下颌龈上洁治模块，同时轨迹控制模块实时控制和监测高重复频率飞秒脉冲激光在龈上洁治模块的工作轨迹，以非接触、无热损伤的方式，同时对上下颌牙弓所有牙齿进行龈上洁治。

2.根据权利要求1所述的一种基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置，其特征在于，所述光源模块包括高重复频率飞秒光纤激光器、1×32光纤分束器、第一光纤传输管道、第二光纤传输管道、第一色散补偿组件和第二色散补偿组件；

由高重复频率飞秒光纤激光器发射的高重复频率飞秒脉冲激光输入1×32光纤分束器，高重复频率飞秒脉冲激光被均匀分到32个光纤输出端，每个输出端对应一个牙位；第1输出端至第16输出端进入第一光纤传输管道，通过第一色散补偿组件后与上颌龈上洁治模块相连接，每个输出端对应于上颌的一个牙位；第17输出端至第32输出端进入第二光纤传输管道，通过第二色散补偿组件后与下颌龈上洁治模块相连接，每个输出端对应于下颌的一个牙位。

3.根据权利要求2所述的一种基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置，其特征在于，所述轨迹控制模块包括计算机分析组件、监测组件、信号处理组件和驱动组件；计算机分析组件产生各个牙位的目标洁治轨迹信息，上下颌各个牙位的监测组件实时反馈该牙位驱动组件的位置信息，信号处理组件接收各个牙位的目标洁治轨迹信息和各个牙位驱动组件的位置信息并进行综合分析，产生上下颌各个牙位的轨迹控制信号并分别传输给相应牙位的驱动组件，使驱动组件按既定的轨迹运动。

4.根据权利要求3所述的一种基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置，其特征在于：所述上颌龈上洁治模块和下颌龈上洁治模块均分别包括信号传输组件及口内洁治组件；上颌龈上洁治模块和下颌龈上洁治模块中的口内洁治组件分别按照牙位分成16个工作单元，各工作单元均容纳有该牙位所对应的光源模块的光纤输出端以及轨迹控制模块的监测组件和驱动组件，实现对上下颌牙弓所有牙齿的同步龈上洁治。

5.根据权利要求2所述的一种基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置，其特征在于，所述高重复频率飞秒光纤激光器发射的高重复频率飞秒脉冲激光的脉宽为飞秒量级；所述高重复频率飞秒光纤激光器发射的高重复频率飞秒脉冲激光的重复频率为GHz量级；

所述1×32光纤分束器包括1个输入端和32个输出端，输入的高重复频率飞秒脉冲激光被均匀分到32个光纤输出端，各个端口的光纤引线均带有护套，每个光纤输出端分别对应于上下颌牙弓中的一个牙位；

所述第一色散补偿组件和第二色散补偿组件用于补偿光纤对高重复频率飞秒脉冲激光的色散展宽，以确保用于龈上洁治的高重复频率飞秒脉冲激光的脉宽为飞秒量级。

6.根据权利要求3所述的一种基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置，其特征在于，所述计算机分析组件对由现有的口腔扫描装置获取的全牙列口腔扫描结果和龈上洁治模块的牙位分区结构进行整合分析，从而获得高重复频率飞秒脉冲激光在各个牙位的目标洁治轨迹。

7.根据权利要求3所述的一种基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置，其特征在于，分别有16个驱动组件设置在上颌龈上洁治模块和下颌龈上洁治模块，分别对应于各个牙位；每个驱动组件上锚定有该牙位所对应的监测组件，实时监测驱动组件的位置并将该信息反馈给信号处理组件；每个驱动组件上锚定有该牙位所对应的光纤输出端，通过控制驱动组件的工作轨迹，可以间接控制高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治轨迹。

8.根据权利要求4所述的一种基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置，其特征在于，所述信号传输组件的内部设置有三个通道，分别用于输入轨迹控制信号、输入脉冲激光信号和输出驱动组件的实时位置信息；信号传输组件的外表面光滑圆钝，位于上下唇之间，与口内洁治组件为一体化结构。

9.根据权利要求8所述的一种基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置，其特征在于，所述口内洁治组件呈牙弓形弯曲，并在唇颊系带处形成相应的切迹；口内洁治组件包括底壁、颊侧壁和舌侧壁，当口内洁治组件在口腔中就位时，与牙齿唇颊面、舌腭面、牙合面接触的壁分别称为颊侧壁、舌侧壁、底壁，由底壁、颊侧壁和舌侧壁围成的空间用于容纳上下颌牙列；底壁、颊侧壁和舌侧壁均为双层结构，各个牙位所对应的驱动组件、监测组件和光纤输出端均位于内外层结构之间，信号传输组件连接颊侧壁外层且三个通道连通至外层和内层之间；

内层结构为光穿透材料，脉冲激光透过内层结构照射到目标洁治部位；外层结构的外表面光滑圆钝，避免对口腔黏膜软组织产生刺激，外层结构的内表面设置有滑轨，使驱动组件按照既定轨迹滑动，进而使得高重复频率飞秒脉冲激光按照既定轨迹进行龈上洁治。

10.根据权利要求1～9任一项所述的一种基于高重复频率飞秒脉冲激光的龈上洁治装置，其特征在于，口内洁治组件的远中端均设置有可以前后滑动的调节部件，分别对应于口内洁治组件中的一个工作单元；对于第三磨牙已经萌出的牙位，可将相应位置的调节部件向前滑出后再就位于口腔内，实现对第三磨牙的龈上洁治；对于第三磨牙尚未萌出的牙位，无需将调节部件滑出，此时，该调节部件对应的工作单元负责第二磨牙远中面的龈上洁治。

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