CN1711054A - 用于处理坚硬组织的激光装置和使用所述装置的方法 - Google Patents

Abstract

一种与色基相结合的半导体激光装置，以及在处理像牙质组织这样的坚硬组织使用它们的方法，其中将色基应用于被处理的组织区域内的元件(3)与半导体激光器(4)相连，用于0传输(5，6)激光和将激光聚焦(7)在被处理的组织上的元件也与激光器相连；色基可在不同发色剂中选取，并且所述色基必须在为处理类型和/或被处理组织所选取的激光波长处具有高吸收系数。

Description

用于处理坚硬组织的激光装置和使用所述装置的方法

技术领域

本发明涉及一种半导体激光装置，以及使用所述装置处理坚硬组织的方法。

背景技术

在牙科中，通常需要作用于像釉质和牙质这样的牙齿的“坚硬组织”，以及像牙龈组织这样的所谓的“软”组织。在这两种情况中，由于激光射线在处理坚硬组织中是一种几乎无痛的工具，并且激光射线对于软组织具有优良的切割和烧灼功率，因此在近十年中激光射线已被广泛应用。

数年中，为了减少麻醉剂的使用，已经提出将使用激光作为传统机械方法的替代选择，使用麻醉剂有一些禁忌症，并且这种过程使患者遭受疼痛。此外，有了适应性光学系统，就可能聚焦激光，从而将它的射线耦合进一根光纤。这就允许将激光输送到处理点。这里，如果合适，通过进一步的光学系统，就可能将激光束再聚焦到非常小的区域上，所述非常小的区域与这种操作包含的大小范围相适合，因此在被处理的表面上表现出更高的精确度。

已经发展出很多技术将激光应用于牙齿的坚硬组织和软组织，由于在这两种情况中，在光学特性(作为波长的函数的吸收和扩散系数)和物理特性(热传导性，血管形成，神经和肌肉系统的分布)上有差别，因此这一点限制了要执行的操作类型(切割，缝合，牙龈物质的减少，去除龋组织，应用植入物或修补物的牙齿成型，以及其它等等)。

在软组织的情况中，通过在10.6μm以连续模式操作来使用CO₂激光器实施第一研究。这种激光用于减少粘膜、牙龈组织和处理牙周炎的过程中，即，将牙龈从牙齿分离，牙龈的结果是形成需要除去的开口。尽管由于所述过程的快速，已经证明这种类型的应用是有效的，然而对于它在缝合血管化组织的有效性和它在处理较大表面的均匀性中，仍然存在由于连续激光引起的加热导致的组织降解的危险。

例如，US-5,020,995使用了射线波长为10.6μm的CO₂激光器。所述装置应用于改变牙的软组织和坚硬组织的过程。它的主要缺陷是，一方面，在使用具有高能量，短持续时间脉冲的射线的过程中升高了组织的局部温度，另一方面如果能量减少，就要增加发生的热传播和应用的时间。

另一个缺陷也是由于CO₂激光器发射的射线很大程度上被水吸收，结果是它在釉质和牙质中产生切口的功率因此有限。为了避免这些缺陷，必须采取一些技术改进，所述技术改进涉及使用的能量水平和射线的持续时间和频率，这也证明了这种方法取决于明确限定的操作条件，因此这种方法非常有限。

坚硬组织大多需要烧蚀类型的操作，所述操作既要消除龋组织，也要从专用修补物的角度重新塑造牙齿的形状。对牙齿，牙釉质和牙质成分的热和光学特性的研究和理解已经达到了比软组织研究稍低的先进水平。事实上，牙齿内光和热的传播的某些方面非常复杂。这与牙齿结构的各向异性相关，所述各向异性很大程度上由光定向的羟磷灰石晶体形成。

在髓腔中存在的神经末梢、血管、纤维细胞和成牙质细胞使得牙齿对所述过程中产生的过热很敏感。因此，为了产生组织烧灼的高功率脉冲射线必须限制在一定时间内，以使将髓腔保持在可忍受温度上的冷却系统产生作用。

已经有一些种类的激光器用于这种类型的过程。最初使用CO₂激态原子激光器和YAG中的钕(Nd；YAG)激光器。以后通过引入YAG或YSGG类型中的铒(在2.94μm操作的Er:YAG，和在2.79μm操作的Er:YSGG)取得了重要的进展。

US-5,554,029和US-5,456,603使用Nd:YAG和Er:YAG激光器消除牙龋。为了提高牙齿的龋部分的表面吸收，最优化它的能量，并因此允许选择性地处理被去除的部分，将这些装置与染料相结合使用来应用到牙齿的龋部分。

这些系统具有操作非常复杂的局限性；此外，既然它们建立在活性介质的光抽运原理的基础上，因此它们的大小是相当可观的，并且它们的效率很低。

US-6,325,791在用于牙外科的聚合合成物材料的受控聚合过程中使用二极管激光器。

为了使激光波长与所述物质的最大吸收相匹配，并且从它的最内层开始完成它的聚合，该系统也使用了应用于聚合材料的染料。

这种系统的优势是简化的结构，以及相对于上面考虑过的CO₂激光器或Nd:YAG或Er:YAG类型的激光器而言，二极管激光器更容易处理。

然而，使用这种光源可获得的波长范围是很有限的，并且这一点阻碍了在牙齿组织上的操作中使用这种系统，由于这种组织的吸收的局部最大值为3μm左右，因此不能使用这种系统。该系统因此局限于应用合成物材料的聚合，而不用于牙齿的坚硬表面的烧灼。

最后，也应注意到，当为了处理像骨这样的其它坚硬组织而需要作用时，与上面对于牙齿部分注意到的问题相类似的问题也可能在其它外科领域中发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法，所述方法使用半导体或二极管激光器的射线来处理坚硬组织，例如用于牙齿或骨的表面，其中组织吸收的激光射线是足够的，并且仅限于被处理的组织表面，使得不允许所述射线穿透到内部，因此导致敏感生物组织的疼痛和/或降解。

在这个目标中，本发明的一个目的是提供一种装置，所述装置提供上面描述的方法，该方法容易操作，简洁，但同时很可靠，高效。

本发明的另一个目的是限制现有技术所必须的高成本。

在下文中将变得更明显的这个目标，以及这些和其它目的由按照权利要求1所述的方法和按照权利要求8所述的装置实现。

附图说明

在下文中从参照附图的下面的详细描述中，本发明进一步的特征和优势将变得更明显，其中唯一的附图是本发明装置的方框图。

具体实施方式

使用半导体或二极管激光器提供的优势表现在几方面。第一，关于它的尺寸，整个二极管激光器与具有传统体系结构的激光器(YAG中的铒)相比，占用体积要小约10倍，并且轻约5倍。

紧密度和较轻重量的特性使得它易于携带，因此一个单独的装置可用在医师能够工作的所有的卫生或家庭环境中。这个优势与更高的电光学效率(等于约30％)相结合，所述更高的电光学效率显著降低了电功率的消耗和冷却的需要。

此外，供应商能确保大约100亿脉冲的激光器二极管，这相当于约8年的装置工作寿命。相反，晶体激光器一超过1到3年的周期范围就需要进行维护，以替换用于重新排列以及其它等等的灯和晶体。

已经进行的研究显示，通过将适当功率的二极管激光器与在发射激光射线的波长处具有高吸收系数的色基相结合使用，甚至通过在组织有限吸收的波长处操作激光，也可能切割坚硬组织。为使这个过程有效，在被处理组织的表面上，照射必须超过一个给定的能流阈值。这就提供了所需的条件以允许使用用于此目的的半导体激光。此外，与在现有技术中使用的传统的固态激光器相比，这还使操作极大地简化。事实上，半导体激光器的体系机构非常简单，它由很少量的元件组成：一个高电流脉冲源，一个低电压功率源，一个聚焦系统和一个适合的冷却系统。然而，传统的激光器由中压功率部分，高压灯点燃部分，一个光学共振器，一个活性介质和相应的冷却系统组成。

而且，二极管激光器的另一个优势是它们的工作效率。实际上，一个半导体激光器通常的效率在因子上比光抽运激光器高5到10。此外，尽管半导体功率激光器目前的价值很高，但按照本发明类型的半导体激光器系统，例如为牙科所使用的，已经比传统可选的激光器便宜。半导体二极管市场增长的巨大前景趋向于显示出随着时间推移，这种方便的装置只能增长。

此外，本系统的另一个优势是由大小极有限的激光二极管光源构成，所述激光二极管光源允许将光源安装在外科医生手持的机头中。

事实上，在半导体激光器领域和它们微型化方面的连续发展允许考虑这样的技术解决方案，在所述方案中不再需要激光传送系统，所述激光传送系统使用像光纤这样的光引导装置，作为替代，激光束在包含所述激光器的机头内立即产生。在这种情况下，在被处理组织区域上的聚焦也是直接的，不需要光束引导装置。

按照本发明用于处理坚硬组织的方法包括下述步骤，这些步骤在下文中将详细解释：

—从半导体激光器源产生射线；

—将发色剂应用到被处理的组织区域上，所述发色剂在激光的波长处具有高吸收性，以在表面处具有主吸收；

—通过适合的光学系统在组织表面上聚焦所述射线，以超过能流阈值；

—超过激光射线的能流阈值，所述能流阈值作为被处理组织的函数。

因此，提供这种方法的装置包括：

—将发色剂应用到组织表面的系统；

—包含至少一个半导体激光器的激光源；

—将激光束聚焦在被处理表面的光学系统。

如附图所示，提供附图是为了举出执行本发明的一种可能的方式，所述方式为：使用染料释放系统3，例如以液相存在的染料气雾剂，将发色剂连续应用到牙齿表面。所述系统允许通过与电源2(二极管驱动器)相连的电子控制器1(PLC)控制染料的释放，所述电源2调节发射射线的脉冲。所述物质的数量和浓度根据被处理组织的类型，要执行的操作，以及为防止敏感组织的降解的必要的冷却步骤而变化。

事实上，本发明中使用的染料可从下述不同的发色剂中选取：像靛青绿这样的三羰花菁染料，像墨汁这样的炭黑，苏丹黑或石墨，以及甲基染料的多种变化，从深蓝到紫罗兰以及所有的等价化合物。

发色剂的关键特征在于它必须在激光二极管发射的波长处具有高吸收系数，以在处理中允许它的吸收。一旦已经按照这个标准选定了色基和它的浓度，它同时使用激光照射进行的处理就能提供高于烧灼阈值的能量密度，从而可以有效地在坚硬组织上作用。因此，本方法可以像解剖刀那样作用，并且可以连续作用。

产生所使用的激光射线的系统包括至少一个半导体激光器4，所述系统必须具有在脉冲操作模式中超过100W的总功率水平。脉冲的持续时间在10到50,000μs之间变化。

如果对被处理表面的切割必须是连续的，重复率就要高于10Hz。可替换地，所述系统可以单脉冲或低重复率进行操作。

发射射线的波长在包括600到1000nm之间的范围内变化，优选在800到980nm之间变化。

在这一点，射线可通过光纤耦合器5发送到光纤6。这就允许将激光射线输送到外科医生手持的机头中。光纤6的直径在5到2000μm之间变化。对于包括在400到600μm之间的光纤直径，光束的集中更加有效。

为了聚焦激光射线，在光纤6的末端提供一个适合的光学系统，例如透镜或反射镜7。这就可以将光束聚焦在组织上，获得能超过烧灼阈值的减少影响的表面。例如，激光斑在300到500μm之间变化。

处于聚焦状态的激光脉冲的能量由以下关系式定义

E_L＝P_L·t_L

其中P_L是激光的功率，t_L是脉冲的持续时间。产生的能量密度，也称为能流，为

F_L＝E_L/S

其中S是被聚焦状态的脉冲击中的表面。为了切割进入坚硬组织，需要超过的能流阈值当然高于处理软组织时使用的阈值。

这与染料的应用相结合，就可使用相同的装置进行作用，并且在具有不同构造和成分的组织上进行相同的处理时，无论所述组织是健康的或是被修补过的，不会产生内部温度的增长和邻近组织随之改变的缺陷。通过在包含在20到100J/cm²的范围内改变能流可实现最好的结果。

此外，按照本发明所描述的装置也可包括冷却被处理表面的系统。如果色基以液体形式应用，通过应用色基实现所述冷却。

下面将描述涉及本装置应用的一些例子；所述示例不应被理解为对本发明技术特征的限制，因此它们必须被认为是仅用于范例目的。

通过气雾剂将1％的靛青绿溶液应用到健康牙齿的表面。通过使用由两个二极管激光器组成的系统，射线在直径为600μm的光纤内进行传送，所述二极管激光器的功率水平为P＝140W，波长等于808nm。从光纤输出的射线通过两个直径约为0.4mm的微透镜进行聚焦。

牙齿的表面被1ms的脉冲以20Hz的频率和85％的最大功率冲击，相当于使用80J/cm²的能流进行冲击。使用这种系统就可能切割进入牙质和牙釉质的组织。

对于本领域技术人员而言，很显然，按照本发明描述的装置和方法可应用在医学的一些领域中，尤其可应用于对被处理组织所承受疼痛的具有适当技术改进的领域，所述改进产生于本领域的知识和实践，所述方法和装置不仅可用于已经详尽描述的牙科中，还可更广泛地用于坚硬组织(例如骨)的外科手术中，这时需要精确地处理这些组织，而不伤害其它更敏感的组织，并且不引起疼痛。

申请号为MI2002A002332的意大利专利申请中公开的内容在这里被收入作为参考，本申请要求该意大利专利申请的优先权。

Claims (13)

1.一种处理坚硬组织的方法，包括以下步骤：

-从半导体激光器源产生射线；

-将发色剂应用到被处理的组织区域上，所述发色剂在所述激光的波长处具有高吸收性，以在所述组织的表面处具有主吸收；

-通过适合的光学系统在组织表面上聚焦所述射线；

-超过激光射线的能流阈值，所述能流阈值作为被处理组织的函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于激光射线的能流阈值在20到100J/cm²之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述脉冲的持续时间包含在10到50,000μs之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于激光射线通过引导光学系统进行传送。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于引导光学系统是光纤。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过透镜或反光镜系统实现将从光纤输出的射线聚焦在组织表面上。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过气雾剂将发色剂喷在所述组织上。

8.一种处理坚硬组织的装置，包括：

-一个将发色剂应用到组织表面的系统；

-一个包含至少一个半导体激光器的激光源；

-一个将激光聚焦在被处理表面的光学系统；

其特征在于所产生的激光射线的能流阈值是可变的。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于所述激光射线的能流阈值包含在20到100J/cm²之间。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于所述脉冲的持续时间包含在10到50,000μs之间。

11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于激光射线通过引导光学系统进行传送。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于引导光学系统是光纤。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于光纤的直径为5到2000μm。

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