用激光辐射切除牙齿龋病的 方法与器械 本发明总的涉及用激光辐射切除通常称为龋病的牙斑及腐烂组织的器械及方法。更具体地说，本发明涉及一种器械，该器械使用紫外辐射及冷却剂从牙体上烧蚀预期的物质而在目标区或其周围不产生过度的热量。
正如牙科领域通常所知，用于治疗诸如牙斑及腐烂组织等龋病的常规牙钻器械不够十分准确，且能引起疼痛。因此，用激光器代替或辅助常规牙钻以达到更准确和无痛治疗龋病是人们所期望的。然而，由于激光产生的热量，目前使用的激光照射过程常能使目标表面及周围区域烧焦。烧焦的组织有效地阻挡住激光辐射，并使它不能达到位于该处下面的组织。因此，由过热导致的烧焦就中断了烧蚀过程。
过热也能不可逆地造成牙齿表面的裂缝并损伤牙髓室中的神经系统和其它牙髓结构。由于与激光致热有关的热损伤，包含切除龋病在内的硬组织激光治疗因而也就尚未到达牙科的实际应用。因此，人们期望提供一种器械和相应的方法，利用激光照射来治疗龋病，都不产生足以造成热损伤的热量。
在使用牙钻的常规牙外科中，通常使用水来散热并去除工作部位的碎片。在激光牙外科中，在用激光脉冲照射目标区之后，为了消除过热也使用过水。例如瓦西里阿迪斯(Vassiliadis)等人在美国专利No.4,940,411中公开了一种使用掺钕钇铝石榴石(Nd：YAG)激光器的激光牙科方法。瓦西里阿迪斯等人讲到在每一次激光脉冲之后向牙齿上喷水。然后，在来自激光器地下一个脉冲之前，还要使牙齿干燥。这种讲解和有关用红外激光治疗龋病的研究是一致的，该研究强调指出在激光脉冲发射时需要保持牙齿干燥，目的是将水对激光的衰减减至最小程度。在红外激光治疗时，由于激光会被强烈吸收，必须十分接近无水状态。诸如为空气喷射器的干燥装置通常用来在下一个激光脉冲作用之前对牙齿表面进行干燥。
另一方面，沃巴斯特(wolbarsht)等人在美国专利No.5,267,856中公开道：在使用掺铒钇铝石榴石(Er：YAG)红外激光器时，进入牙齿表面微孔或以化学方式保持在牙齿表面的一薄层水能提高预期物质的去除率。沃巴斯特强调说，在此过程中，不能让水形成小水潭，因为红外辐射不能有效地穿透厚的水层。因此，水层的厚度在此过程中必须是能临界控制的。
使用各种红外激光器时的一个问题是，在要求治疗龋坏组织而不影响牙本质及牙釉质时，它们没有选择性。不仅如此，红外激光不能穿透水，除非是相对短的距离。因此，红外方法就排除了为达到有效冷却而使用相对说来较厚的喷水层。所以，人们期望提供一种激光器，它在切除龋坏物质时具有选择性，并能穿透较厚的水层。采用这种方法时，在牙齿表面可以以非临界控制方式喷水，因而在牙齿表面可以积水或形成厚的水层，这些都能有效地防止组织烧焦。不仅如此，厚的水层产生较强的冷却效果，并允许使用能改进烧蚀率的较大激光积分通量。
提供了一种用于治疗牙齿上目标区域的器械。本器械总体上包含一个冷却剂传送系统和一个紫外激光器。冷却剂传送系统向目标区传送冷却剂，同时光导向装置将紫外辐射在目标区上聚焦。激光与冷却剂相结合以烧蚀预期物质，同时不产生能烧焦表面组织或导致热损伤的过热。
图1是总体原理图，表示依据本发明的用紫外激光辐射及冷却剂切除诸如牙斑及腐烂组织等龋病的一种器械。
图2是图1所示器械的更详细的放大原理图。
图3是图1中冷却剂传送系统的更详细的放大原理图。
图4是图1中抽吸系统的更详细的放大原理图。
本发明提供了使用紫外激光辐射及冷却剂切除诸如牙斑、腐烂组织及损害等龋病的器械和方法。使用激光照射比常规的牙钻能对龋病进行更加准确及无痛的治疗。本发明能有效地从硬表面切除龋坏部分并通过防止产生过热来防止目标区组织的烧焦。由于防止了目标区组织的烧焦，切除过程可以无间断地进行。同时，由于防止了在目标区及其周围产生过热，牙本质或牙釉质开裂的潜力及对牙髓室中神经系统和其他牙髓结构的损伤都大大减小了。此外，在牙齿表面冷却剂层的厚度也不需要临界控制。因此，本发明中所用的冷却剂在激光照射的同时可以在牙齿表面积成潭状。不仅如此，省去了在以前治疗过程中所需要的干燥步骤。
在图1中，实现本发明的用于切除诸如牙斑及腐烂组织等龋病的器械总的用1表示。齿上具有龋坏物质或腐烂组织12的一个牙齿10从牙床14上伸出。装备了激光系统15以用作器械1的紫外辐射18的激光源。装备了总体用20表示的冷却剂传送系统，用来向目标区22传送冷却剂。所装备的用24表示的抽吸系统则用来从目标区22收集过剩的冷却剂及碎片。
参照附图2，本发明使用紫外激光发生器16以产生波长一般小于600nm(纳米)的脉冲式紫外辐射18。可以调整本发明的紫外激光发生器16使它工作在预定的积分通量(fluence)，以便有选择地烧蚀单一的目标物质；因为健康的牙釉质26、健康的牙本质28及龋坏损害12对烧蚀各有不同的能积分通量阈值，也有不同的(描述紫外辐射18被吸收的特征深度的)吸收系数。使用紫外激光发生器16的优点是允许有选择地烧铝龋坏部分12而同时使健康的牙本质28及牙釉质26大体上不受影响。
激光发生器16最好能产生具有每秒0.1到10,000个脉冲的脉冲重复率及每脉冲0.1毫焦耳到5焦耳的激光能量的脉冲输出光束30。此外，激光发生器16的波长是在已被表明根治龋病12特别有效的193～600nm波段。输出光束30在目标区22的直径最好在0.1mm至5mm之间。
下列激光器，虽然不能理解为一种限制，但与本发明结合则是特别有用的：波长大约193nm的氟化氩(ArF)激光器、大约249nm的氟化氪(KrF)激光器、大约305nm的氯化氙(XeCl)激光器、大约352nm的氟化氙(XeF)激光器以及波长大约355nm的三倍频掺钕的钇铝石榴石(Nd：YAG)激光器。此外，在常规的控制面板32上设有对激光发生器16产生的辐射18进行脉冲频率、能量及脉冲宽度的调整的装置。激活开关34将激光发生器16和电源36耦合起来以激活激光发生器16。
诸如反射镜、透镜或棱镜的常规光学器件38可以有选择地用来对从激光发生器16到透镜40的辐射18导向。透镜40将辐射18导向并聚焦在光导向装置44的一端42。必须指出，透镜40可以包含一个以上的单元，并能按所希望的那样形成任意个构形及焦距。除此以外，如果需要，可以在激光器16和光导向装置44之间插入一个光学输出连接器(未示出)。
光导向装置44可以是光导纤维，也可以是常规的反射镜透镜系统，它沿自己的内部将辐射18导引并传送到出口端46。在优选实施例中使用了光导纤维，因为它有柔性且容易定位，所以容易在人的口腔范围内操作。当使用光导纤维时，最好使用三倍频掺钕钇铝石榴石激光器。
出口端46最好这样构形，使它能够将由该处射出的输出光束30集中或聚焦。或者，为此目的在出口端46装上一个透镜。不管哪种情况，对大多数牙科应用，总是希望在出口端46给出相对短的焦距。由出口端46射出的输出光束30用来烧蚀龋坏物质12。还应指出，可以在光导向装置44的自由端48安装一个机头，以使牙医的操作变得容易。
在本发明的实施例中，一个工作在可见光谱的低功率激光器100装入了激光系统15。为此目的使用氦氖激光器或二极管激光器是合适的。由低功率激光器100射出的引导波束102通过光导向装置44的传输，当从出口端46射出时，大体上是与输出光束30重合的。用这种方法可以借助观察引导波束102的位置将输出光束引导到目标区22。在不用低功率激光器100的情况下，操作者可以观察由辐射18在目标区22引发的可见萤光作为输出光束30正确定位的指示。
现在看图3，冷却剂贮罐50用来存储冷却剂，冷却剂最好是用于牙齿10时冷却到15℃到30℃温度范围的水52。输送管54在其第一端56通过一个连接装置58与冷却剂贮箱50相接。管54可定位成，将从出口端60流出的水52导向目标区2。水52可以是间歇地、最好是连续地射到牙齿10上。为此目的，可以使用在大多数牙科诊所都能找到的常规气/水牙科机头一类的给水系统。
必须指出，虽然冷却剂最好是喷射形式的水52，其他的冷却剂也可应用。同样，与低波长激光器(象ArF激光器)一起使用时，最好使用蒸馏水或去离子水52，以便将可能吸收激光辐射18的杂质的水平降至最低。然而，随着激光器16波长的增大，这种对蒸馏水及去离子水52的偏爱将降低。
参照图4，设有一个吸管62用来从目标区22排除过量的水52及碎片64。吸管62有一个适于收集过量水52并将它传送到吸管上拉长的本体都68的第一端66。吸管62还包括一个通过连接装置72与废物系统74相连接的出口端70。为此目的，最好使用能在大多数牙科诊所找到的常规抽吸系统。
在手术过程中，低功率激光器100首先被激活，因而使引导波束102射出光导向装置44。然后，操纵光导向装置44的自由端48，使出口端46大体上瞄准具有腐烂组织、牙斑或损害12的预定目标区22。瞄准是否合适则由照射在目标区22上的引导波束102指示。
将引导波束102恰当地定位后，开始运行冷却剂供给系统20，以便在牙齿10的表面喷射上一层水52。然后运行抽吸系统24以收集过量的水52。接下来，激活激光器16以产生紫外辐射18。输出光束30大体上与射在目标区22的引导波束102重合。最后，按照意原操纵光导向装置44使输出光束30照射目标区22中被选定的部位。
按照本发明，输出光束30穿过水层52并去除位于水层52下面的预期物质12。在烧蚀过程中用抽吸系统收集水52，或是在需要的时候收集，或是连续收集以防止碎片64和水52的堆集。
由于在紫外频谱区域水52对辐射18的吸收相对说来较弱，因而在激光治疗过程中可以连续喷射水52以至在牙齿10上汇成小潭或形成厚层。必须指出，如果是在激光照射的同时向牙齿10喷水52，则这些水在消除过热上要有效得多。最好是在烧蚀过程之前就设置好激光的脉冲宽度、能量水平及频率。但是，如果愿意，这种参数也可在过程中调整。例如，通过增加激光的能量水平，可以达到较快的烧蚀率。已经发现，切除龋坏组织12而不造成周围区域热损伤的最优积分通量水平大致是0.07到10J/cm2。不仅如此，最优波长与最优频率分别在193-400nm和1-20Hz的范围内。
在下述实例中，使用了ArF激光器，并以来自蒸馏水贮箱的水作为冷却剂。在拔牙时，使用连续水流覆盖处理区域的表面。
实例1
使用大约为90mJ/cm2的低积分通量激光器照射一个干燥的拔出的牙齿表面上的龋坏组织，迅速产生了烧焦的组织，且发现在此之后烧蚀率显著地下降。使用N2清洗流作为冷却剂又作了若干补充实验。虽然由于以相对较高的流量使用N2而获得了某些改善，但N2并未能有效地防止烧焦组织。
实例2
重复实例1，但使用蒸馏水作为冷却剂。水从连接到蒸馏水贮罐的管子的尖端流出。由于水的连续流出，在牙齿表面形成了水潭。使未聚焦的准分子激光射束(波长为193nm的ArF激光器)的孔径为1mm直径的大小并使它穿透潭状的水而达到腐烂的组织。激光重复频率由10Hz变到20Hz。在这些条件下，当积分通量升到大致230mJ/cm2及照射时间长到大约6分钟时，未观察到烧焦的组织。在激光积分通量为200mJ/cm2、工作在频率20Hz时，测量到的烧蚀(凹陷)率大约是每脉冲0.35微米。当照射时间长到大约6分钟时，凹陷大约是2.6毫米。
实例3
在激光照射过程中，使用热电偶测量周围区域及牙髓室的表面温度。当不使用水冷却时，在200mJ/cm2的激光积分通量及20Hz的激光重复频率情况下，周围区域的温度在3分钟内升高了9℃。如果有水流存在，在类似的激光照射下，靠近照射区的温升小于1℃，而在牙髓室基本上测量不出温升。
本发明的一个优点是喷水时用不着象红外激光技术那样对水层厚度实行临界控制，因为紫外辐射不会被水强烈吸收。不仅如此，可以使用连续水流，因而缓解了在辐射脉冲之间需要使目标区干燥的问题。另一个优点是，一厚层水能高度有效地防止在目标地、周围区域及牙髓室的热损伤，因为防止了产生过热。水冷却也缓解了烧焦问题，并允许不间断地使用较高的激光功率，而较高的激光功率能增加每个脉冲的穿透深度和烧蚀率。此外，在有选择地切除龋坏物质而不影响健康的牙本质及牙釉组织方面，紫外激光也是高度有效的。
从以上的描述中，本领域的普通技术人员可以意识到，关于本发明的概括的讲述是可以用许多不同方式实现的。因此，虽然本发明是通过几个特例来描述，但本发明的真正范围决不应局限于此；通过研究附图，说明书及下述的权利要求书，对普通专业人员而言其他的各种改型是十分明显的。