532nm掺钕钇铝石榴石皮秒激光照射离体牙对髓腔温度的影响

丁星月 邹朝晖 董晓曦 夏倩倩

300070天津医科大学口腔医学院（丁星月、邹朝晖、夏倩倩）；300192天津，中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所（董晓曦）

532nm掺钕钇铝石榴石皮秒激光照射离体牙对髓腔温度的影响

丁星月 邹朝晖 董晓曦 夏倩倩

300070天津医科大学口腔医学院（丁星月、邹朝晖、夏倩倩）；300192天津，中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所（董晓曦）

目的通过用532 nm掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）皮秒激光器在不同光照时间和功率下照射离体牙，以初步筛选出激光对于不同形态牙齿的安全参数。方法采用皮秒激光照射离体牙（前牙、前磨牙、磨牙）；用热电偶电子测温仪对髓腔内不同时间和功率下的温度进行重复测量，以得出髓腔温度变化（ΔT）。结果前牙组在0.6 W、30 s，0.8 W、20 s、30 s，1.0 W、10 s、20 s、30 s，前磨牙组在1.0 W、30 s时，ΔT＞5.6℃。磨牙组在1.0 W、30 s内，ΔT＜5.6℃。在皮秒激光功率一定下，髓腔温度随照射时间延长而升高，其差异均有统计学意义（P＜0.05）；一定时间下，随着功率增加而升高，其差异均有统计学意义（P＜0.05）。结论用0.8 W、10s，0.6W、20s，0.4W、30s以内的参数照射前牙；0.8W、30s，1.0W、20s以内的参数照射前磨牙；1.0W、30s以内的参数照射磨牙是相对安全的。且在应用皮秒激光进行牙体治疗时，需同时控制功率和照射时间。

皮秒激光；牙髓腔；温度；安全性

0 引言

激光器在口腔医学领域的应用始于20世纪60年代。随着研发的深入，各种类型的激光器开始应用于口腔治疗中。激光作为一种无痛、微创的治疗方式而应用于口腔疾病中。由于其具有杀菌、熔融封闭牙本质小管[1]、促进组织愈合[2]等特性，为临床工作提供了新手段。倍频532 nm掺钕钇铝石榴石（neodymium-doped yttrium aluminum garmet,Nd：YAG）激光器在牙齿漂白中取得了突出疗效，对氟斑牙、四环素牙效果显著，较少发生术中或术后过敏。口腔临床医学中常使用的激光器脉冲宽度多为微秒、纳秒。超短脉冲的激光,如皮秒、飞秒激光，单脉冲聚焦范围内的去除精度可达几十甚至几个纳米。在医学中，其也可作为超精密手术刀进行组织切割，甚至能够对单个细胞进行精密手术，如视力矫正术。近来，实验人员尝试使用超短波激光进行口腔软硬组织及牙科充填材料的切割。在足够的切割效率下，超短波激光可以取得更精准的切削边缘及最小的副作用[3]。皮秒532 nm激光应用在口腔治疗中，可通过极高的瞬时功率达到快速杀菌的作用，同时熔融牙本质小管，相比其他激光在使用上更加高效。且在相同剂量的激光能量下，超短脉冲的激光器对材料产热幅度理论上要低于短脉冲。

激光治疗被越来越多的临床医生所青睐，其使用参数的安全范围是值得研究和探讨的。有研究表明超短波激光切割牙体硬组织和充填材料导致髓腔温度升高[4-5]。激光照射牙体组织，其光热作用可以使牙齿升温，牙体微结构发生改变，从而使患者出现牙髓疼痛感和牙髓组织损伤。牙髓组织血管密集，具有丰富的血运系统，通过牙本质纤维为牙釉质及牙本质供给营养。牙髓被牙本质包绕，其体积范围变化容许量极小。牙髓在受到一定程度的物理刺激时，出现血流增加及血管扩张，组织压升高后出现血流减缓及血管闭塞性血栓，从而使牙髓组织充血，甚至产生局限性坏死[6]。实验者通过检测牙髓组织的血流状态来评估牙髓活力，即采用激光多普勒血流监测仪分析大鼠髓腔的血流微循环对于温度变化而产生的改变。牙髓组织在33～42℃的范围内血流速度无明显改变，而超过该范围血流速度则明显升高。通过光学显微镜观察组织病理变化，在血流速度增高的牙髓组织中发现血浆外渗的现象[7]。

髓腔温度升高超过一定程度，就会对牙髓组织产生不可逆的破坏。Zach和Cohen[8]研究得出：牙髓腔温度升幅超过5.6℃时，牙髓活力丧失15%；温升达到8.3℃，约有20%的牙髓坏死；温升达到11.1℃，有60%的牙髓坏死；温度升高16.6℃，则所有牙髓均发生坏死。

笔者使用0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 W的平均功率照射牙体硬组织；以5.6℃作为髓腔温度变化的临界值，测10、20、30 s时髓腔温度升高值，得出时间、功率与髓腔温度变化的关系，初步筛选出安全的激光参数和照射时间。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 离体牙

以天津医科大学口腔医院口腔外科门诊患者的离体牙为本研究抽样对象，分别选取前牙、前磨牙及磨牙新鲜离体恒牙各12颗，要求牙冠完整、无龋，且表面无裂纹。

1.1.2 主要仪器

532nnNd:YAG皮秒激光器（法国TeenPhotonics公司），UT325数字式测温仪（广东省优利德有限公司），NSK高速涡轮机（日本NSK公司），EMS超声洁牙机（瑞士EMS公司），电子计时器（日本LEC公司）。

1.2 方法

1.2.1 实验分组

将36颗离体牙按照牙齿分类分为3组：A组（前牙组），B组（前磨牙组），C组（磨牙组）。

1.2.2 髓腔测温模型的制备

将离体牙刮除表面软组织，超声洁治去除表面牙石、牙渍，用高速涡轮机裂钻在釉牙骨质界下2mm处截冠，暴露髄底，去除牙髓组织后用生理盐水浸泡备用（浸泡不超过1周）。

将离体牙固定在实验台上，使激光指示光投照在牙冠唇（颊）面的中央。对热电偶测温仪进行校正（沸水100℃，冰水混合物0℃）。将热电偶测温仪的测温金属探头伸入离体牙的髓腔中，紧贴髓腔唇颊侧一面，与激光指示光的高度保持一致。激光出光口距离离体牙表面20 cm。每个样本在室温为24℃条件下，测牙髓髓腔的初始温度T0，在功率设置为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 W下，10、20、30 s（计时器报时）时，测髓腔的即时温度Ti并作记录。

1.3 统计学方法

实验采用SPSS17.0数据处理软件，所得的数据均以均数±标准差（±s）表示，做析因设计的方差分析，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

激光照射离体前牙的时间增加，髓腔温度不断增加；激光照射离体前牙的功率增加，髓腔温度也在不断增加。前牙组在0.6 W、30 s，0.8 W、20 s、30 s，1.0 W、10 s、20 s、30 s时，ΔT＞5.6℃。其中在1.0 W、30 s时，髓腔温度升高（11.4±2.2）℃。前牙组在不同照射参数下的髓腔升温情况见表1。

激光照射时间增加，离体前磨牙的髓腔温度上升；皮秒激光照射功率增加，前磨牙髓腔温度持续上升。前磨牙在1.0 W、30 s时，ΔT＞5.6℃。在1.0 W、30 s时，髓腔温度升高（6.7±3.0）℃。前磨牙组在不同照射参数下的髓腔升温情况见表2。

激光照射离体磨牙的时间增加，髓腔温度升高。激光照射功率增加，磨牙髓腔温度不断升高。在1.0 W、30 s时，髓腔温度升高（4.8±1.6）℃。磨牙组在不同参数下的髓腔升温情况见表3。

表1 前牙组各参数下髓腔温度升高值ΔT（℃）（n=12±s）

表1 前牙组各参数下髓腔温度升高值ΔT（℃）（n=12±s）

注：使用析因设计的方差分析，功率一定下髓腔温度随照射时间变化两两比较，差异均有统计学意义（P＜0.05）；时间一定下髓腔温度随功率变化两两比较，差异均有统计学意义（P＜0.05）

功率（W）时间（s）102030 0.21.0±0.52.0±0.92.6±1.0 0.42.4±1.43.8±1.84.9±1.7 0.63.5±1.75.4±1.77.0±1.7 0.84.8±2.77.2±2.69.4±2.3 1.05.8±3.18.8±3.011.4±2.2

表2 前磨牙组各参数下髓腔温度升高值ΔT（℃）（n=12±s）

注：使用析因设计的方差分析，功率一定下髓腔温度随照射时间变化两两比较，差异均有统计学意义（P＜0.05）；时间一定下髓腔温度随功率变化两两比较，差异均有统计学意义（P＜0.05）

功率（W）时间（s）102030 0.20.7±0.41.0±0.51.2±0.7 0.41.4±0.72.0±0.82.5±1.0 0.61.9±0.92.8±1.23.6±1.4 0.82.7±1.34.0±1.75.0±2.1 1.03.7±2.05.3±2.56.7±3.0

表3 磨牙组各参数下髓腔温度升高值ΔT（℃）（n=12±s）

表3 磨牙组各参数下髓腔温度升高值ΔT（℃）（n=12±s）

注：使用析因设计的方差分析，功率一定下髓腔温度随照射时间变化两两比较，差异均有统计学意义（P＜0.05）；时间一定下髓腔温度随功率变化两两比较，差异均有统计学意义（P＜0.05）

功率（W）时间（s）102030 0.20.4±0.20.6±0.21.0±0.2 0.40.7±0.31.2±0.31.7±0.4 0.61.1±0.61.9±0.72.6±0.8 0.81.4±0.82.4±0.93.4±1.0 1.01.9±1.03.5±1.34.8±1.6

综上所述，得出以下结果：①随着皮秒激光照射时间的增加，前牙、前磨牙及磨牙髓腔温度不断增加，其差异均有统计学意义（P＜0.05）。②随着皮秒激光照射离体牙的功率增加，3组髓腔温度也在不断增加，其差异均有统计学意义（P＜0.05）。③在1.0 W、30 s参数范围内，除了磨牙髓腔温度在安全值域内，对于前磨牙、前牙的牙髓均存在风险。将参数控制在0.8 W、10 s，0.6 W、20 s，0.4 W、30 s以内照射前牙；0.8 W、30 s，1.0 W、20 s以内照射前磨牙是相对安全的。

3 讨论与结论

激光应用于牙体治疗时，要求在起到治疗效果的同时，产热能控制在安全范围内。因此选择合适的激光器及合理的参数是临床医生研究的重点。而对于控制升温来说，超短波激光具有更大的优势。因激光对材料的去除量会随脉宽缩短而降低，从而使激光蚀刻材料的体积微型化[9]。当脉宽＜10 ps，激光对材料“电子态”的去除作用，有望获得冷加工效果。超短脉冲激光光子的作用时间若小于材料导电电子/晶格的热震动传递时间，就有可能因为来不及进行热传导，而通过光子作用激发电子跃迁，电子浓度会随电离增强，在脉冲结束前，通过库仑爆炸达到临界阈值，引发材料结构不可恢复的破坏，这就是超短脉冲激光实现“冷加工”的物理基础[10]。

牙齿的温升过程取决于激光的脉宽、频率及能量等参数[11]。与长脉冲激光相比,短脉冲激光使牙齿表面的温升快，牙髓腔的温升小。在入射激光能量一定的前提下，增加激光脉冲宽度或增加激光脉冲个数，会使牙齿表面温度最大值降低，牙齿内部高温区扩大，牙髓温度升高[12]。脉宽越长，脉冲数越多，牙髓腔的温度就越高[13]；反之，髓腔升温能被有效控制。本研究选取激光器为皮秒激光，控制了脉冲宽度对髓腔升温造成的影响。因入射能量与平均功率和时间成正比。实验得出532 nm皮秒激光在1.0 W、30 s的参数内，随平均功率及照射时间的增加，髓腔温度升高。

皮秒532 nm激光器使髓腔温度升高的一方面原因源自实验采用的激光器处于百皮秒范畴，若降低脉冲宽度仍有实现温升进一步减小的可能。在使用多脉冲激光蚀刻牙体组织时，控制单脉冲的能量，使其既能满足牙体治疗的需要，同时无多余能量传递至牙齿内部而产生热量积累。在口腔医学中应用超短波激光器，将更有利于活髓牙的治疗，可控制牙髓因光热作用失活的风险。

激光系统照射牙齿所产生的热效应取决于组织的类型和厚度[4-5]。牙釉质是由95%化学式为Ca10（PO4）6（OH）2的羟基磷灰石、4%的水和1%的有机物组成。牙本质只含约70%的羟基磷灰石,其余的由20%的有机物和10%的水组成。从热传导性来看，牙釉质要高于牙本质[14]。有研究表明，激光照射厚度为0.5 mm的牙本质，髓腔升温明显比2 mm厚的牙本质高[15]。由于人体牙体硬组织厚度存在差异，若使用激光时，全口使用同一能量照射，有可能导致个别牙齿牙髓损伤。有实验统计，牙釉质加牙本质厚度平均值中磨牙＞前磨牙＞前牙[16]。因此，实验针对不同牙体硬组织厚度范围进行分组，分为前牙组、前磨牙组、磨牙组。结果显示：前牙在0.6 W、30 s，0.8 W、20 s、30 s，1.0 W、10 s、20 s、30 s时及前磨牙在1.0 W、30 s时，髓腔升温超出安全阈值（＞5.6℃）。磨牙组在应用1.0 W、30 s内的激光照射时未引起髓腔升温过高的现象，而前牙组髓腔升温最高。温度升高的持续时间也是影响牙髓活力的一个重要因素。Eriksson等[17]报道牙髓温度升高5°C达1 min以上，对于牙髓活力同样具有损伤。因此，实验需控制照射时间，且将最大照射时间控制在30 s内是相对安全的。

本研究采取空腔环境测量髓腔升温，忽略了牙髓腔内复杂的血流系统和生理调节功能。有学者通过改善实验模型，模拟牙髓血流循环在离体牙髓腔内建立一个连续水流模型。使生理盐水在37℃的水温下，模拟牙髓血运的流速，对光固化光源产热进行评估。结果表明，建立循环的实验组的所有光源产热均在安全范围内[18]。该实验旨在论证流动的液体可带走组织中多余的热量。但使用生理盐水模拟髓腔内的流动液体是否具有可参考性，值得进一步讨论。

激光照射方式也会对实验结果产生差异。Klaric等[19]将飞秒770 nm半导体激光器（800 mW，15 min）照射离体上颌前牙，对比固定光源下的髓腔产热与移动光源下的升温效果。结果显示，在光源固定下照射的髓腔温度升高8.6～15.7℃，而移动照射的髓腔温度仅升高1.4～2.7℃。本实验的激光在固定模式下照射，同一位点持续照射时间长而热量累积也是导致髓腔升温的一个重要原因。

控制温度升高一方面是控制入射能量。实验结果得出在1.0 W、30 s的光照参数下仅对磨牙是安全的。对于前牙和前磨牙而言，如何控制功率大小及照射时间是非常必要的。另一方面还要采取降温措施。研究者使用干预措施以减少激光产热对髓腔造成的影响。脉冲激光进行离体牙窝洞预备时，采用压缩空气风冷却，甚至可使髓腔温度低于初始温度[20]。在离体牙表面涂布凝胶也是一种有效的控制温升的措施。Luk等[21]使用10 600 nm CO2激光（600 mW，30 s×6），将不同漂白凝胶涂布在牙齿表面以比较加入凝胶与否的温度差别。结果显示，加入Opalescence Extra、QuickWhite、Star Brite及Nypro Gold漂白凝胶的4组髓腔温度均明显低于未加凝胶组，且差异具有统计学意义（P＜0.05）。Sulieman等[22]使用Opus Mix bleaching powder混合35%过氧化氢溶液在离体牙面上涂布2mm厚度，用830nm半导体激光分别以不同能量照射离体牙30s，比较有无漂白凝胶髓腔温度升高的差别。最后得出3 W下无凝胶组升高11.6℃，有凝胶的髓腔升高8.7℃；2 W下无凝胶的髓腔升高7.7℃，有凝胶的升高6.8℃。在涂布凝胶的条件下，使用磷酸钛氧钾（KTP）激光光照离体切牙（1.0 W，30 s），髓腔温度则处于安全阈值内[23]。

532 nm皮秒激光照射活髓牙，要根据不同的牙齿形态分析牙体硬组织厚度，注意控制功率及照射时间，以免对牙髓造成不可逆的损伤。皮秒激光有望通过安装光纤和手具，以及降低频率的方式进一步适应口腔科的使用。未来实验将模拟活髓内牙髓状态，进一步考虑髓腔的微循环和髓腔内物质对于超短波长激光照射产热的影响。

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Effect of 532 nm picosecond Nd:YAG laser irradiation on temperature of the pulp chamber

Ding Xingyue, Zou Zhaohui,Dong Xiaoxi，Xia Qianqian
Dental Hospital of Tianjin Medical University,Tianjin 300070,China(Ding XY,Zou ZH,Xia QQ);Institute of Biomedical Engineering,Chinese Academy of Medical Science&Peking Union Medical College,Tianjin 300192, China(Dong XX)
Corresponding author:Zou Zhaohui,Email:zouzhaohui2005@sina.com

ObjectiveTo preliminarily select safe parameters for different forms of teeth by irradiating 532 nm picosecond Nd:YAG laser on human isolated teeth with different irradiation time length and power.MethodsIsolated human teeth including anterior teeth,premolars,molars were irradiated with 532 nm picosecond laser. Repeated measurements were made for each tooth by thermometer to measure the temperature of pulp chamber on different time point and power,and the temperature change(ΔT)was calculated.ResultsΔT of the anterior irradiation group at 0.6 W,30 s;0.8 W,20 s and 30 s;1.0 W,10 s,20s and 30s were more than 5.6℃,which was the same with that of premolar group at 1.0 W,30s.ΔT of the molar group at 1.0 W,30 s was less than 5.6℃.Under certain power, the temperature of pulp chamber increased with the prolonging of irradiation time(P＜0.05).At a certain time, temperature increased with the power(P＜0.05).ConclusionsIt is safe to carry out operation on the parameters setting of 0.8 W,10 s and 0.6 W,20 s irradiation for anteriors teeth;0.4 W,30 s,0.8W,30 s and 1.0 W,20 s for premolar teeth,and 1 W,30 s for molar teeth.In the application of 532 nm picosecond laser,attention is required to be paid on parameter setting to control input power and irradiation time.

Picosecond laser;Pulp chamber;Temperature;Safety

邹朝晖，Email:zouzhaohui2005@sina.com

10.3760/cma.j.issn.1673-4181.2016.01.008

2015-11-17）