Воздействие на твердые ткани

Включает в себя действие мощных, превышающих порог абляции, импульсных ИК лазеров на твердые ткани (кость, эмаль, дентин зуба и т. п.) Этот механизм в принципе сходен с предыдущим рассмотренным механизмом (также предполагает расплавление материала и его извержение), но имеет свои особенности, связанные со спецификой облучаемого материала.

Большинство экспериментов проводилось с использованием лазеров Er:YAG и Ho:YAG с продолжительностью импульсов 150 – 200 мкс. Длина волны излучения этих лазеров 2 – 3 мкм определяет высокий показатель поглощения в минералах твердых тканей. Мощность и энергия излучения (плотность энергии импульса до 100 Дж/см и плотность мощности до десятков МВт/см ) обеспечивают достижение абляционного эффекта.

В экспериментах прослеживались динамика и результаты процесса воздействия с применением методов термографии, спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии. Наблюдались следующие закономерности:

– незначительная глубина термических повреждений эмали (меньше 75 мкм) даже при высоких значениях плотности мощности излучения (до 140 Дж/см ),

– вблизи поверхности абляционных кратеров застывший расплав и характерная для облучаемого образца структура (призмы и канальцы соответственно в эмали и дентине),

– на поверхности абляционных кратеров – осадок из аблированного вещества – мелкодисперсный застывший расплав и различного вида кристаллические образования.

Существуют две физические модели описания процесса. Первая аналогична модели действия лазерного излучения на мягкие ткани и подразумевает взрывное испарение воды, содержащейся в небольшом количестве в твердых тканях. Однако, как показали многочисленные эксперименты различных исследователей, характер процесса практически не изменяется в лабораторных условиях при предварительном высушивании (дегидратации) объекта облучения (например, костной ткани). Поэтому заслуживает внимания признанная многими исследователями иная, термомеханическая, модель процесса. Согласно этой модели процесс представляется следующим образом. Быстрый разогрев твердого объекта лазерным излучением ведет к плавлению приповерхностного слоя. Плавление идет неравномерно по структуре: сначала плавятся относительно низкоплавкие компоненты, а термостойкие кристаллосодержащие структуры на короткое время сохраняют твердое состояние. При относительно низких значениях плотности энергии излучения происходит импульсный взрывообразный выброс расплава и не успевших расплавиться твердых частиц, то есть происходит явление абляции механического типа. При воздействии более высоких энергий разогрев и расплавление всего облучаемого материала происходит практически одновременно. Выброс материала идет не как серия отдельных взрывов, а путем постоянного взрывного испарения (так называемый термальный или испарительный тип абляции). В действительности, даже при испарительном типе абляции на периферии облученной области, где температура ниже, происходит механическая абляция. При уменьшении плотности энергии импульса излучения происходит снижение эффективности абляции и, вследствие того, что энергия меньше удаляется из материала с выбросом, увеличивается ее поступление в ткань и увеличиваются термические повреждения.

Недостатки, возникающие при применении лазеров, работающих по взрывному механизму абляции заключаются в следующем.

1) Помимо термических повреждений, возникают механические повреждения, такие как трещины и расколы. Они связаны с термическим расширением твердого материала, нагретого ниже точки плавления.

2) Наблюдается снижение регенераторной способности кости после ее облучения Er:YAG лазером, а при работе с СО₂ лазером появление дефектов (трещины, грубое оплавление и карбонизация поверхности) в обрабатываемой эмали и дентине. Эти явления также обычно связывают с термическими и механическими повреждениями.

Рассмотрим области практического применения ИК лазеров для обработки твердых тканей. Er:YAG лазер чаще всего применяют для обработки твердых тканей зуба, особенно при кариесе. Кроме высокоэффективной абляции и незначительной термической травматизации эмали и дентина, его излучение обладает выраженным бактерицидным эффектом по отношению к кариогенной флоре. Это делает его особенно привлекательным для широкого использования в стоматологии.

Помимо этого, рассмотренные лазеры целесообразно применять в следующих медицинских технологиях:

– для работы на костной и хрящевой ткани,

– для измельчения камней в просветах полых органов, например, в бронхах,

– для обработки протезов любого назначения.

Необходимое условие применения лазеров, работающих в таком режиме, – строгое соблюдение энергетических параметров режима воздействия для каждого конкретного случая, иначе возникают нежелательные последствия из-за термических и механических повреждений обрабатываемых тканей.

Эффективная абляция твердой ткани (эмали зуба) может быть достигнута также с помощью импульсного Nd:YAG лазера при длительности импульса излучения несколько наносекунд. Хотя излучение этого лазера слабо поглощается тканью, но мощность излучения высока (до 35 МВт). Сильный разогрев (до 40 000ºС) ведет к возникновению значительных термических напряжений, которые обеспечивают взрывной выброс материала. Отсутствие глубокого термического повреждения и трещин за пределами абляции объясняется высокоэффективным выбросом материала и гашением внутренних напряжений из-за наличия слоя расплава по границе абляционного кратера как своеобразной амортизирующей подкладки.

При меньшей мощности ( 0,5 МВт в импульсе) происходит поверхностное оплавление минералов и глубокий прогрев ткани.