RO129146A2 - Sistem cu laser de pulsuri ultrascurte cu aplicaţii în medicina dentară - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un sistem cu laser de pulsuri ultrascurte, pentru aplicaţii în medicina dentară, util în modernizarea clinicilor stomatologice, prin folosirea tehnicilor fotonice. Sistemul conform invenţiei este alcătuit dintr-un laser (USPL) care generează pulsuri de femtosecunde cu durata de 150 fs, lungimea de undă cuprinsă între 750...850 nm, frecvenţa de repetiţie cuprinsă între 1...2000 Hz, energia de puls cuprinsă între 1...500 m J, un obturator (Sh) de fascicul, un atenuator (A) de fascicul cu polarizare, un sistem de baleiaj cu două oglinzi galvanice (GM), pentru baleierea fasciculului pe suprafaţa ţesutului, conform unei imagini prestabilite, introdusă în calculator, oglinzi metalice (M1, M2) mobile, pentru direcţionarea fasciculului astfel încât să se poată scana suprafaţa în mod manual sau automat, o diodă laser (LD) de putere mică, pentru alinierea optică a sistemului, o oglindă dicroică (DM), pentru suprapunerea traseelor celor două fascicule laser, un braţ articulat (AA), pentru direcţionarea fasciculului la locul de intervenţie, o lentilă (L) de focalizare a fasciculului, un comutator (S) cu pedală, pentru comanda obturatorului cu piciorul, toate fiind controlate de un calculator (PC), rezultând un sistem generator de pulsuri laser ultrascurte, care produc ablaţia neliniară a bioţesutului.

Description

SISTEM CU LASER DE PULSURI ULTRASCURTE PENTRU APLICAȚII IN MEDICINA DENTARA

Prezenta invenție se refera la realizarea unui sistem cu laser de pulsuri ultra-scurte pentru aplicații in medicina dentara. Sistemul cu laser de pulsuri ultra-scurte pentru aplicații in medicina dentara este util in modernizarea clinicilor stomatologice prin folosirea tehnologiilor fotonice.

Sistemul cu laser de pulsuri ultra-scurte pentru aplicații in medicina dentara se bazeaza pe folosirea laserilor de pulsuri ultra-scurte cu durata mai mica de 1 picosecunda (1-10¹² s).

Este cunoscuta in literatura de specialitate [1, 2, 3, 4] importanta utilizării laserilor in biofizica, medicina, medicina de recuperare si chirurgie generala datorita avantajelor pe care le prezintă si anume: laserii de mica putere sunt noninvazivi, iar laserii de putere medie taie tesutul ca si bisturiul, dar in plus diminuează sangerarea prin fotocoagulare si au efect local antibacterian.

Datele de literatura [1, 5, 6] evidențiază complexitatea si multitudinea efectelor biologice ale utilizării laserilor de toate tipurile (de putere mica si medie, de pulsuri scurte si ultrascurte): activitatea antiinflamatorie, coagulanta, antineoplazica, apoptotica, antivirala si antibacteriana.

Principalul avantaj oferit de laseri este intensitatea foarte mare, care poate fi concentrata intr-un volum foarte mic. Datorita acestei proprietăți in locul in care este focalizat fasciculul se obține o creștere a temperaturii care provoacă atomizarea țesutului. Din acest motiv principala lor aplicație medicala este chirurgia. Datorita preciziei care poate fi obtinuta laserii sunt folosiți in primul rând in acte chirurgicale de mare finețe (ochi, ORL, neuro). Exemple de folosire a laserilor in chirurgie pot fi:

laserul cu CO2 are lungimea de unda 10,6 pm, poate funcționa in unda continua sau pulsat, are avantajul unei puteri foarte mari, a fost primul tip de laser folosit in chirurgie;

laserul cu YAG:Nd, are lungimea de unda 1,06 pm, poate funcționa in unda continua sau in pulsuri foarte scurte putând furniza o putere foarte mare in regimul pulsat, se folosește in chirurgia prostatei dar si oftalmologica, poate produce si coagulare si vaporizare, este cel mai utilizat laser de putere in prezent;

RECTOR: Prof. Dr. Mircea Dumitru

^- 2 0 1 2 - 0 0 5 1 7 -ο 9 -07- 2012 diodele laser cu lungimi de unda de la 400 nm la 1900 nm, in funcție de materialul semiconductor, sunt mult mai ieftine si pot da puteri foarte mari in unda continua; laserul YAG:Nd dublat cu KTP are lungimea de unda 532 nm si se folosește in oftalmologie si chirurgie vasculara;

laserul cu colorant este acordabil intre 400 si 800 nm si se folosește in chirurgia vasculara;

laserul cu argon are doua lungimi de unda utilizate medical 488 nm si 514 nm si se folosește in oftalmologie.

Dintre cele menționate primele doua tipuri sunt cele mai răspândite in practica chirurgicala.

In chirurgia dentara (termenul include si acte de reparații dentare) este promovat comercial in ultimii ani laserul YAG:Er [7, 8]. Acesta emite la 2940 nm si are cea mai mare absorbție in tesut din cauza absorbției apei, fiind considerat foarte bun de utilizat pentru ablatia precisa a țesutului. Ablatia consta in inlaturea prin atomizare a țesutului. Se poate folosi si pe tesut moale si pe tesut dur. Permite gaurirea optica aparent „rece” a smalțului, dentinei, osului si a materialelor compozite de umplutura.

Utilizarea in chirurgie a laserii comerciali, atat cei cu funcționare in unda continua cat si cei de pulsuri scurte utilizați in prezent, se bazeaza pe fenomenul de ablatie termica ca urmare a absorbției energiei fasciculului laser de către tesut, care prezintă dezavantajul apariției de microfisuri in tesutul dur si rezoluție spațiala mica.

Problema tehnica pe care o rezolva invenția consta in aceea ca a fost realizat un sistem cu laser de pulsuri ultra-scurte pentru aplicații in medicina dentara, care produce o ablatie neliniara. Ablatia neliniara este un fenomen nontermic care consta in absorbția multifotonica. Timpul de interactie dintre fascicul si tesut este mult mai scurt (cu 2-3 ordine de mărime) decât timpul in care se produce difuzia căldurii in exteriorul craterului creat de ablatie.

Avantajele ablatiei nelineare de biotesut dur cu pulsuri ultrascurte sunt următoarele [9, 10, 11]:

localizare extrem de precisa la asa-numitul volum focal, adica o rezoluție spațiala mare, datorata pragului energetic necesar producerii străpungerii, distrugere laterala mica - limitata de difuzia căldurii in materialul înconjurător, diminuarea fluentei necesara realizării ablatiei (diminuarea energiei laserului pe unitatea de suprafața).

RECTOR: Prof. Dr. Mircea Dumitru \-2 0 1 2 - 0 0 5 1 7 -ο 3 -07- 2012

Sistemul descris in continuare inlatura dezavantajele enunțate ale sistemelor laser comerciale prin aceea ca are rezoluție spațiala mare (precizie), domeniul de interacție fiind cuprins intre 1...30 microni.

Sistemul descris inlatura dezavantajele procedeelor cunoscute prin aceea ca nu se produc microfisuri ale smalțului dentar, datorita obținerii ablatiei nelineare a țesutului prin utilizarea pulsurilor laser cu fluenta (energia furnizata pe unitatea de suprafața a probei) cuprinsa intre 1...100 J/cm², cu durata de 60...800 femtosecunde si cu frecventa de repetiție cuprinsa intre 1.. .2000 pulsuri pe secunda.

Avantajele sistemului cu laser de pulsuri ultra-scurte pentru aplicații in medicina dentara constau in aceea ca prezintă o precizie mare de intervenție la nivelul țesutului dentar, imposibil de obtinut cu mijloacele actuale (freza dentara, laser chirurgical, bisturiu) si nu se produc microfisuri ale țesutului dentar, pentru ca nu este afectata termic zona înconjurătoare, din cauza timpului extrem de scurt de interacție dintre fascicul si proba.

Alte avantaje ale sistemului cu laser de pulsuri ultra-scurte pentru aplicații in medicina dentara constau in aceea ca sistemul obtinut constituie o tehnologie nepoluanta, economica si flexibila, care determina o limitare maxima a efectelor distructive la nivelul țesutului, un înalt potențial terapeutic si o arie larga de aplicabilitate in chirurgie.

Aplicabilitatea sistemului cu laser de pulsuri ultra-scurte la nivel de tesut dentar

Descrierea sistemului cu laser de pulsuri ultra-scurte pentru aplicații in medicina dentara

Schema sistemului conform Fig. 1 are următoarele componente principale:

USPL - un laser care generează pulsuri ultrascurte (femtosecunde) controlat de calculator,

Sh - un obturator electromecanic de fascicul controlat de calculator,

A - un atenuator de fascicul cu polarizare si actuator controlat de calculator,

GM - oglinzi galvanice controlate de calculator pentru deplasarea transversala fata de direcția de propagare a fasciculului si cu precizie pe suprafața de procesat; mișcarea oglinzilor este controlata de calculator,

Ml - oglinzi metalice pe suport tip flip (se ridica - se coboara la 90°),

M2 - oglinzi metalice pe suport fix,

DM - oglinda dicroica,

RECTOR: Prof. Dr. Mircea Dumitru ιΛ” 2 Ο 1 2 - Ο Ο 5 1 7 - ⁰ 9 -07- 2012

LD - dioda laser pentru aliniere si monitorizarea poziției fasciculului pe proba,

- AA - braț articulat cu trei segmente si cu oglinzi metalice pentru livrarea fasciculului laser in locul dorit,

L - lentila de focalizare a fasciculului pe suprafața probei,

S - întrerupător cu pedala pentru comanda obturatorului cu ajutorul piciorului, USBI - interfața USB de comunicare intre componentele electromecanice cu comanda analogica si calculator, PC - calculator de proces.

Funcționarea sistemului cu laser de pulsuri ultra-scurte pentru aplicații in medicina dentara

Fasciculul laser generat de unitatea USPL prezintă următoarele caracteristici: durata pulsurilor de 150 fs, lungimea de unda poate fi selectata intre 750...850 nm, frecventa de repetiție a pulsurilor poate fi selectata intre 1...2000 de pulsuri pe secunda, energia pe puls poate fi selectata intre 1...500 pJ. Energia este parametrul cel mai important pe care operatorul il alege pentru a obține un crater cu adancimea si diametrul dorit in urma aplicării unui singur puls. Frecventa de repetiție este un parametru care se alege in funcție de calitatea si viteza cu care trebuie create structurile in smalțul dentar. După ieșirea din generator fasciculul este directionat spre sistemul de control optic al propagării cu ajutorul a doua oglinzi metalice M2. Aceste doua oglinzi sunt necesare pentru realizarea unui sistem compact ușor de integrat intr-o cutie.

Prima componenta a sistemului de control optic este obturatorul optic (Sh). Este un obturator electromecanic cu doua stări deschis-inchis comandat de calculator. Viteza de comutare poate fi cuprinsa intre 1-10 ms. Materialul lamei de obturare trebuie sa reziste la puterea maxima pe care o poate furniza laserul fara sa-si modifice proprietățile mecanice si viteza de comutare.

După trecerea prin deschiderea obturatorului inetnsitatea fasciculului trebuie ajustata cu ajutorul unui atenuator (A). Reglarea intensității fasciculul se poate face si din generatorul laser, dar nu este recomandat. Atenuatorul poate ajusta intensitatea foarte rapid (sub 1 s) pastrand emisia constanta si stabila a generatorului laser. Atenuatorul consta dintr-un sistem de doua lame polarizante (una fixa si alta care se rotește) controlate de calculator, care, pentru diferite poziții unghiulare ale lamei mobile, permite ajustarea energiei pulsurilor la nivelul probei, astfel incat sa se obțină efectele dorite. Atenuarea produsa de acest sistem este

RECTOR: Prof. Dr. Mircea Dumitru

Α-2012'00517-0 9 -07- 2012 reproductibila, astfel incat este suficienta cunoașterea unghiului de rotatie pentru a sti valoarea atenuării produse, iar acest lucru se face odata cu calibrarea sistemului.

Fasciculul laser este aplicat pe proba in locul dorit prin intermediul unui braț articulat cu oglinzi (AA). Brațul poate avea 3 sau 4 segmente si o lungime totala de minim 1,5 m. Poate fi un braț articulat cu arc sau cu contra-greutate pentru revenirea in poziția de repaus. Pentru obținerea unui sistem compact a treia oglinda M2 directioneaza fasciculul spre intrarea brațului articulat după trecerea de atenuator. Operatorul are posibilitatea sa deplaseze manual fasciculul pe proba prin simpla deplasare a mânerului brațului. In cazul in care dorește obținerea unei anumite structuri pe suprafața dintelui se va folosi un sistem de doua oglinzi galvanice (GM) comandat de calculator. In modul baleiaj automat operatorul tine mânerul fix intr-un punct de pe suprafața dintelui si comanda ridicarea oglinzilor flip (Ml). Prima oglinda Ml redirectioneaza fasciculul laser spre sistemul de baleiaj (GM) iar a doua oglinda Ml reintroduce fasciculul pe traiectoria normala spre intrarea in brațul articulat. In aceasta configurație fasciculul laser poate fi deplasat controlat pe suprafața probei fara deplasarea brațului articulat. In acest mod medicul poate realiza pe suprafața probei orice forma de microstructura dorește si care a fost introdusa in programul calculatorului. Oglinzile galvanice au un unghi de baleiaj maxim de ±12° si o frecventa cuprinsa intre 1...100 Hz. Operatorul poate alege valoarea unghiului de baleiaj pentru a ajusta dimensiunea suprafeței baleiate. Alegerea frecventei determina viteza de baleiaj pe suprafața probei si eventuala repetare a baleiajului in același loc.

Folosirea brațului articulat cu oglinzi este obligatorie in cazul laserilor cu pulsuri sub sau apropiate de 100 fs. înlocuirea lui cu o fibra optica ca in cazul laserilor comerciali existenti conduce la apariția fenomenului de dispersie cu efect negativ de lungire a pulsului. Fibrele optice speciale care permit pastrarea duratei pulsului nu sunt competitive economic si nici rezistente la puteri mari.

Fasciculul laser este focalizat pe proba cu o lentila (L) pentru concentrarea energiei pulsului laser intr-un volum foarte mic. Este necesara folosirea unei lentile cu distanta focala mare, cuprinsa intre 10...20 cm, pentru protejarea suprafatei optice a lentilei de inevitabilele depuneri de material organic ablat. Lentila este poziționată in căpătui liber al brațului articulat, numit mânerul brațului. Terminația mânerului poate veni in contact cu pacientul si trebuie schimbata de la un pacient la altul. De aceea, mânerul este făcut astfel incat piesa metalica conica terminala sa se poata demonta ușor pentru curatare-dezinfectare fara sa afecteze poziția lentilei.

RECTOR: Prof. Dr. Mircea Dumitru ce 2 Ο 1 2 - ο ο 5 1 7 - “

Ο 9 -07- 2012

Sistemul de control optic are si o dioda laser de putere mica (LD) cu emisia in roșu, al cărei fascicul este reflectat de oglinda dicroica fixa (DM) la intrarea brațului articulat pe același traseu ca fasciculul de procesare. Daca cele doua fascicule sunt aliniate fasciculul roșu de mica putere permite monitorizarea poziției fasciculului de procesare.

Comanda obturatorului este făcută de operator prin comutatorul cu pedala de picior.

Conectarea laserului, componentelor electromecanice si a diodei laser la calculator se face prin intermediul unei intefete USB de comunicare analog-digital (USBI).

Aplicarea sistemului cu laser de pulsuri ultra-scurte la nivel de tesut dentar

S-a aplicat sistemul laser de pulsuri ultra-scurte pentru doua categorii de probe de tesut oral: dentare si osoase.

Probele dentare au constat din dinți premolari sanatosi de adult, mai vechi (dinții 1, 2, 3 si 4) si proaspăt extrasi (dinții 5, 6, 7 si 8). Pe fiecare dinte s-au făcut experimente atat pe cimentul dentinei cat si pe smalț. Dinții proaspăt extrasi au fost stocati in soluție salina pana in momentul expunerii.

Probele osoase au constat din fragmente de mandibula, uscate si proapete. S-a lucrat pe fragment de mandibula, deoarece acesta este osul cel mai dur din cutia craniana, duritatea sa fiind determinata de densitatea materialului osos din zona marginala.

Ablatia neliniara cu laser de pulsuri ultrascurte a țesuturilor s-a realizat pentru fiecare experiment pe cate 6 serii de cate 4 linii similare la energii predefinite. Lungimea liniilor a fost cuprinsa intre 500...2000 pm si distanțate cu 100 pm una fata de alta. Liniile au fost suficient de distanțate pentru ca ablatia unei linii sa nu fie influențată de ablatia liniei vecine trasata anterior. S-a lucrat la 100 pm distanta intre șanțuri, pentru ca șanțurile gravate au avut lărgimea sub 80 pm. Ajustarea focalizarea fasciculul pe proba s-a făcut cu ajutorul unei diode laser de mica putere care generează un fascicul coliniar cu fasciculul de femtosecunde si a unei camere video, înaintea expunerii flecarei serii de patru linii. Viteza de deplasare a fasciculului pe suprafața probei a fost de 1 mm/s pe direcția de ablatie a fiecărei linii. S-a lucrat la o frecventa de repetiție a pulsurilor cuprinsa intre 1...2000 Hz.

Determinările efectuate prin microscopie electronica de baleiaj, microscopie optica si profilometrie au evidențiat dimensiunile structurilor create in țesuturi (smalț, ciment si os), care reprezintă caracteristici ale ablatiei determinata de valoarea fluentei. Măsurătorile au indicat caracteristici geometrice ale liniilor, respectiv lărgimi cuprinse intre 10...80 microni

RECTOR: Prof. Dr. Mircea Dumitru ^-2 0 1 2 - 0 0 517 - - Zf ® 9 *07- 2012 si adâncimi cuprinse intre 10... 100 microni. Analiza profilometrica prin contact realizata indica amprenta specifica produsa de ablație in volumul probei.

Sistemul cu laser de pulsuri ultra-scurte prezintă caracteristici optime de aplicare in medicina dentara prin localizare extrem de precisa la asa-numitul volum focal (rezoluție spațiala mare) si eliminarea microfisurilor la nivelul țesutului dentar si conduce la extinderea ariei de aplicabilitate in chirurgia generala.

Referințe:

1. M. Niemz, Laser Tissue Interactions: Fundamentals and Applications, Springer, Berlin

Heidelberg New York, 1996

2. Paras N. Prasad, Introduction to Biophotonics, Wiley-Interscience, New Jersey, 2003

3. Academy of Laser Dentistry (http://www.laserdentistry.org/)

4. US Food and Drug Administration (http://www.fda.gOv/cdrh/consumer/laserfacts.html#33

5. R. Wood, Laser Damage in Optical Materials, Hilger, Boston, 1996

6. Astrid Brendemiihl, Martin Werner, Mikhail Ivanenko, Peter Hering, and Thorsten M. Buzug,

Comparison of Process Temperature during Laser and Mechanical Cutting of Compact Bone,

Advances in Medical Engineering, Springer Proceedings in Physics, Springer, Berlin, 2007

7. Ishikawa I, Sasaki KM, Aoki A, Watanabe H., Effects of Er:YAG laser on periodontal therapy, J Int Acad Periodontol., 5(1):23-8, 2003

8. Ishikawa I, Aoki A, Takasaki AA., Clinical application of erbium:YAG laser in periodontology, J Int Acad Periodontol., 10(1):22-30, 2008

9. Markus Braun, Peter Gilch and Wolfgang Zinth (Eds.), Ultrashort Laser Pulses in Biology and Medicine, Part I Ultrafast lasers in Medicine, Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 2008

10. J.F. Bille, Femtosecond Lasers in Ophthalmology: Surgery and Imaging, in Ultrafast lasers in Medicine- Part I, M. Braun et al (ed.) Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 2008

11.1. Ioniță, Laserii de femtosecunde - prezent si viitor in cercetarea bio-medicala romaneasca, Simpozionul Național de Cercetare Științifică Medicală de Excelență VIASAN-CEEX 2008 (Modul 1), Sinaia, 28-30 septembrie 2008, pag. 21, ISBN: 978-973-708-341-8, 2008

RECTOR: Prof. Dr. Mircea Dumitru

Claims (1)

1. REVENDICĂRI

   1. Sistem cu laser de pulsuri ultra-scurte pentru aplicații in medicina dentara, caracterizat prin aceea ca este alcătuit dintr-un laser care generează pulsuri de femtosecunde cu durata de 150 fs, lungimea de unda cuprinsa intre 750...850 nm, frecventa de repetiție cuprinsa intre 1...2000 Hz, energia pe puls cuprinsa intre 1...500 pJ, un obturator de fascicul, un atenuator de fascicul cu polarizare, un sistem de baleiaj cu doua oglinzi galvanice pentru baleierea fasciculului pe suprafața țesutului conform unei imagini prestabilite introdusa in calculator, oglinzi metalice mobile pentru redirectionarea fasciculului astfel incat sa se poata scana suprafața in mod manual sau automat, o dioda laser de putere mica pentru alinierea optica a sistemului, o oglinda dicroica pentru suprapunerea traseelor celor doua fascicule laser, un braț articulat pentru direcționarea fasciculului la locul de intervenție, o lentila de focalizare a fasciculului, comutator cu pedala pentru comanda obturatorului cu piciorul, toate controlate de un calculator rezultând un sistem generator de pulsuri laser ultrascurte care produc ablatia nelineara a biotesutului cu avantajul creșterii preciziei de sapare si al eliminării fisurilor zonei înconjurătoare.