何新宇 李依洲 聶銘遠(yuǎn) 于悅 陳浩天 潘翀 趙繼志

根管治療術(shù)是治療牙髓病的首選方法,通過(guò)高效的化學(xué)預(yù)備完善清理根管系統(tǒng)中感染物質(zhì)是治療過(guò)程中的重要步驟[1]。隨著鉺激光激活蕩洗技術(shù)不斷被開(kāi)發(fā),其中光子引導(dǎo)的光聲流效應(yīng)(photon-induced photoacoustic streaming, PIPS)技術(shù)已經(jīng)被學(xué)者們從多個(gè)角度證實(shí)具有良好的根管化學(xué)消毒能力,且清理效率優(yōu)于傳統(tǒng)沖洗針及超聲激活蕩洗[2-7]。 2014 年,有學(xué)者提出光聲流同步瞬變(photo acoustic synchronized transients, PHAST)的概念,嘗試使用雙脈沖脈沖串的激光工作模式增強(qiáng)蕩洗的效果,并在在后續(xù)的幾年內(nèi)將這種理念演變成為光子增強(qiáng)的光聲流效應(yīng)(shock wave enhanced emission photoacoustic streaming, SWEEPS)技術(shù)[8-9]。近年來(lái), SWEEPS技術(shù)被許多學(xué)者進(jìn)一步研究,并證實(shí)可以達(dá)到更好的抗感染效果[10-13]。本研究擬通過(guò)高速攝像的方式,在自由水域中觀測(cè)鉺激光SWEEPS模式雙脈沖形成的蒸汽氣泡間的相互作用關(guān)系,為SWEEPS技術(shù)的流體動(dòng)力原理解析以及臨床應(yīng)用提供直接證據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究模型的制備

本研究在體外自由水域模型中進(jìn)行,該模型為30 mm×30 mm×50 mm的5面長(zhǎng)方體,由透明樹(shù)脂材料3D打印而成(圖1A)。

圖1 研究方法

1.2 儀器與設(shè)備

本試驗(yàn)選擇波長(zhǎng)2 940 nm的Er∶YAG激光器(Fotona,斯洛文尼亞)作為激光發(fā)生裝置,裝配牙科專(zhuān)用手柄(H14, Fotona,斯洛文尼亞)9 mm錐形工作尖(型號(hào)89036, Fotona, 斯洛文尼亞)。

1.3 激光器參數(shù)的復(fù)核

連接激光功率計(jì)探頭與功率計(jì)(上海捷銳企業(yè)有限公司),將Er∶YAG激光工作尖固定于功率計(jì)傳感器正上方1 cm處。激活Er∶YAG激光,將功率計(jì)穩(wěn)定后的讀數(shù)記錄為實(shí)際輸出功率。確定Er∶YAG激光功率與實(shí)際輸出功率相符。

1.4 Er∶YAG激光實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置

Er∶YAG激光蒸汽氣泡動(dòng)力觀測(cè)模型的建立如圖1B。連接Er∶YAG激光器、手具與工作尖,并將工作尖垂直固定于模型中,尖端5 mm置于液面下,保持液面下激活, 產(chǎn)生穩(wěn)定的氣泡。Er∶YAG激光按照以下參數(shù)進(jìn)行激勵(lì):(1)激光模式設(shè)置為超短脈寬模式(super short pulse, SSP),以此作為對(duì)照組(脈寬為50 μs),激勵(lì)頻率設(shè)置為20 Hz,單脈沖能量設(shè)置為20 mJ; (2)激光模式設(shè)置為X-SWEEPS模式,激勵(lì)頻率設(shè)置為20 Hz,單脈沖能量設(shè)置為20 mJ;脈沖間隔設(shè)置為150～600 μs(以50 μs為間隔遞增)。

1.5 蒸汽氣泡動(dòng)力觀測(cè)模型的的建立

高速攝像測(cè)量系統(tǒng)的建立如圖2。微測(cè)量定位系統(tǒng)保證工作尖初始位置的準(zhǔn)確。高速攝像系統(tǒng)(i-SPEED726mono144GB, iX Cameras Ltd,UK)用于捕捉氣泡的形態(tài)變化及實(shí)際脈沖間隔。該高速攝像系統(tǒng)全畫(huà)幅分辨率為2 048×1 536 像素,幀頻為8 512 幀/s(frames per second, FPS),本實(shí)驗(yàn)中選用幀頻為200 000 FPS,即快門(mén)時(shí)間為5 μs,降低分辨率至280×294 像素。同時(shí),為了進(jìn)一步觀測(cè)液相中清晰的氣泡邊緣形態(tài),在模型背側(cè)放置了75 000流明的LED燈(MODEL U-100S, 長(zhǎng)沙湖南科天健光電技術(shù)有限公司)作為照明系統(tǒng)。

A～C: 第一脈沖蒸汽氣泡膨脹過(guò)程; C: 第一脈沖蒸汽氣泡體積最大時(shí)圖像; D: 第一脈沖蒸汽氣泡坍塌至中心; E: 第一脈沖蒸汽氣泡坍塌后再次進(jìn)入膨脹(空泡的振蕩); F: 第二脈沖輸入起始狀態(tài)(紅色箭頭所示為第二脈沖蒸汽氣泡形成初期); G～H: 第二脈沖蒸汽氣泡不斷膨脹至最大體積,同時(shí)第一脈沖蒸汽氣泡持續(xù)震蕩; I～J: 第一脈沖及第二脈沖氣泡不斷振蕩至重新融入水中; K～L: 蒸汽氣泡直徑(D)以及氣泡殘余與工作尖尖端的距離(L)測(cè)量方式(以600 μm工作尖作為比例尺進(jìn)行測(cè)量)

1.6 圖像及數(shù)據(jù)的測(cè)量方法

圖2為SWEEPS雙脈沖技術(shù)在自由水域中的典型氣泡動(dòng)力過(guò)程,脈沖間隔設(shè)置為350 μs,圖2A～2J是一個(gè)完整的氣泡脈動(dòng)過(guò)程。圖2C中黃色圈(155 μs)標(biāo)記是第一脈沖蒸汽氣泡在最大體積時(shí)的圖像,此時(shí)的氣泡直徑將會(huì)被測(cè)量,方法如圖2K,以工作尖直徑600 μm作為比例尺測(cè)量氣泡直徑(diamter,D)。圖2H中紅色圈為第二脈沖蒸汽氣泡最大體積。圖2F中紅色箭頭標(biāo)記第二脈沖輸入起始狀態(tài),即375 μs為實(shí)際脈沖間隔。 圖2J中紅色線(xiàn)為蒸汽氣泡殘余消失前的最后圖像,此時(shí)蒸汽氣泡殘余最遠(yuǎn)端距離工作尖尖端的距離(length，L)將被測(cè)量，測(cè)量方法如圖2L中，同樣以工作尖直徑600 μm作為比例尺進(jìn)行測(cè)量。

1.7 統(tǒng)計(jì)與分析

本文使用Graphpad 5.0對(duì)蒸汽氣泡最大體積及蒸汽氣泡殘余最遠(yuǎn)端距離分別采用單因素方差分析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,P<0.05具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2 結(jié) 果

2.1 自由水域中Er∶YAG激光SWEEPS雙脈沖模式形成的蒸汽氣泡圖像特征

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)脈沖間隔小于300 μs時(shí),第二脈沖形成的蒸汽氣泡與第一脈沖形成的蒸汽氣泡相融合,不會(huì)形成雙氣泡。并且,在自由水域模型中,融合氣泡的體積在不同脈沖間隔間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(圖3U)。

A～E、 K～O: 第二脈沖輸入時(shí)刻圖像,氣泡下方可以觀測(cè)到氣泡根方有不規(guī)則的波動(dòng)(a圖中紅色箭頭所示),表明第二脈沖能量在此時(shí)輸入; F～J、 P～T: 第一脈沖蒸汽氣泡最大體積時(shí)刻典型圖像。第二脈沖輸入后不會(huì)形成蒸汽氣泡,但會(huì)使第一脈沖形成的蒸汽氣泡發(fā)生變化(b圖中藍(lán)色箭頭所示); U: 脈沖間隔在120～300 μs間,不同脈沖間隔下的融合氣泡直徑無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異

在自由水域模型中,當(dāng)脈沖間隔為320～600 μs間時(shí),第二脈沖輸入形成獨(dú)立的蒸汽氣泡(圖4)。隨著脈沖間隔時(shí)間的增加(320～480 μs),第一脈沖殘留蒸汽氣泡不斷向根方移動(dòng),并且體積逐漸縮小,同時(shí)第二脈沖形成的蒸汽氣泡會(huì)與第一脈沖殘余蒸汽氣泡間發(fā)生碰撞(圖4a～4o)。可以觀測(cè)到當(dāng)脈沖間隔為360～440 μs間時(shí),第二脈沖形成的獨(dú)立蒸汽氣泡最大體積明顯縮小(圖4A～4O),這提示20 mJ單脈沖能量的SWEEPS雙脈沖模式,在360～440 μs的脈沖間隔設(shè)置時(shí),2 個(gè)脈沖形成的蒸汽氣泡間可以發(fā)生比較劇烈的碰撞。隨著脈沖間隔時(shí)間的繼續(xù)增加(500～600 μs),第二脈沖輸入時(shí),第一脈沖蒸汽氣泡的殘余與工作尖尖端距離不斷增加,第二脈沖形成的蒸汽氣泡與第一脈沖形成的蒸汽氣泡間不再發(fā)生碰撞,互相脫離。

a-o: 第二脈沖輸入時(shí)刻圖像,可以觀測(cè)到隨著脈沖間隔的增加,第二脈沖輸入時(shí),第一脈沖蒸汽氣泡殘留不斷向根方移動(dòng),并且體積逐漸縮小; A-O: 第二脈沖形成的獨(dú)立蒸汽氣泡最大體積時(shí)刻典型圖像。當(dāng)脈沖間隔在320～380 μs間,第二脈沖蒸汽氣泡最大體積逐漸縮小;當(dāng)脈沖間隔在380～480 μs間,第二脈沖蒸汽氣泡最大體積逐漸增大;脈沖間隔為500～600 μs間,第二脈沖蒸汽氣泡體積基本不變; P: 脈沖間隔與第二脈沖形成的獨(dú)立蒸汽氣泡直徑關(guān)系統(tǒng)計(jì)

2.2 在自由水域中Er∶YAG激光雙脈沖形成蒸汽氣泡的相互作用效果

本實(shí)驗(yàn)使用氣泡碰撞后殘余氣泡游離的最遠(yuǎn)端距離來(lái)對(duì)蒸汽氣泡的相互作用效果進(jìn)行評(píng)估,其變化趨勢(shì)如圖5。當(dāng)脈沖間隔小于320 μs時(shí),蒸汽氣泡殘余最遠(yuǎn)端距離無(wú)明顯變化。隨著第二脈沖獨(dú)立氣泡的出現(xiàn),第二脈沖與第一脈沖蒸汽氣泡的殘余發(fā)生撞擊,推動(dòng)第一脈沖氣泡殘余最遠(yuǎn)端距離增大。當(dāng)脈沖間隔為360～440 μs間時(shí),氣泡殘余最遠(yuǎn)端距離最大,這也提示兩個(gè)脈沖形成的蒸汽氣泡間發(fā)生的碰撞在此脈沖間隔區(qū)間內(nèi)更加劇烈。隨著脈沖間隔的增加,氣泡殘余最遠(yuǎn)端距離逐漸減小,并接近于沒(méi)有第二脈沖獨(dú)立氣泡的水平(與脈沖間隔為100～320 μs區(qū)間時(shí)的氣泡殘余最遠(yuǎn)端距離相似)。

A-Y: 蒸汽氣泡消失前,氣泡殘余出現(xiàn)在工作尖根方最遠(yuǎn)端的圖像。紅色虛線(xiàn)顯示蒸汽氣泡殘余最遠(yuǎn)端位置; Z: 氣泡殘余最遠(yuǎn)端距離隨脈沖間隔變化趨勢(shì)圖,其中當(dāng)脈沖間隔位于100～320 μs時(shí),氣泡殘余最遠(yuǎn)端距離無(wú)明顯改變;當(dāng)脈沖間隔為320～440 μs時(shí),氣泡殘余最遠(yuǎn)端距離增大;當(dāng)脈沖間隔為440～600 μs時(shí),氣泡殘余最遠(yuǎn)端距離減小,并逐漸接近于100～320 μs時(shí)的距離

2.3 在自由水域中20 mJ單脈沖能量SSP模式下氣泡動(dòng)力圖像特征

自由水域中, 20 mJ單脈沖能量SSP模式下形成蒸汽氣泡的膨脹周期在150 μs,總周期在270 μs(圖6)。

A: 脈沖能量輸入時(shí)刻; B: 蒸汽氣泡體積最大時(shí)刻約在150 μs; C: 蒸汽氣泡完全塌縮時(shí)刻約在280 μs; D: 蒸汽氣泡消失前時(shí)刻(紅色箭頭示殘留的云空泡)

3 討 論

徹底清理根管系統(tǒng)中的感染物一直是牙髓治療的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前,尚未能開(kāi)發(fā)出一種化學(xué)預(yù)備方式可以對(duì)根管系統(tǒng)內(nèi)的感染進(jìn)行完美地清理,因此進(jìn)一步開(kāi)發(fā)激光激活蕩洗技術(shù)有著重要的意義[14]。

鉺激光與水之間的作用遵循光學(xué)物理定律,波長(zhǎng)為2 940 nm的鉺激光可以被OH-基團(tuán)吸收(μa=1.247×106m-1)[15-16]。當(dāng)鉺激光工作尖位于蕩洗液中時(shí),輸出的脈沖能量可以被周?chē)铀肿游?光能轉(zhuǎn)化的熱能瞬間可以使水達(dá)到沸點(diǎn),并在工作尖末端形成蒸汽氣泡[7]。SWEEPS技術(shù)與PIPS技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別在于SWEEPS技術(shù)將總能量分為2 個(gè)一組的脈沖串進(jìn)行輸出。本研究中觀察了SWEEEPS雙脈沖模式,在脈沖間隔設(shè)置100～600 μs間時(shí),形成的蒸汽氣泡動(dòng)力效果,闡述了自由水域中不同脈沖間隔條件下的蒸汽氣泡相互作用現(xiàn)象。按照?qǐng)D4的結(jié)果,將自由水域中的氣泡間相互作用關(guān)系分為以下3 種類(lèi)型:(1)雙氣泡融合:脈沖間隔位于100～300 μs范圍內(nèi)時(shí),第二脈沖能量輸入不產(chǎn)生獨(dú)立的蒸汽氣泡;(2)雙氣泡撞擊:脈沖間隔位于320～480 μs范圍內(nèi)時(shí),第二脈沖能量輸入產(chǎn)生獨(dú)立蒸汽氣泡,并于第一脈沖的蒸汽氣泡殘余發(fā)生碰撞。其中,當(dāng)脈沖間隔為360～440 μs間時(shí),雙氣泡間產(chǎn)生強(qiáng)烈碰撞;(3)雙氣泡脫離:脈沖間隔位于500～600 μs范圍內(nèi)時(shí),第二脈沖能量輸入產(chǎn)生獨(dú)立蒸汽氣泡,但與第一脈沖的蒸汽氣泡殘余不發(fā)生碰撞,相互脫離。

先前Er∶YAG激光雙氣泡模式的研究結(jié)果顯示,第二脈沖的輸入可以增強(qiáng)蕩洗效果。部分文章中指出,雙脈沖模式增強(qiáng)蕩洗效果的主要原因有融合蒸汽氣泡體積的增加、以及第二脈沖能量的輸入加速了第一脈沖蒸汽氣泡的破碎[8-9]。本研究中闡述了不同的見(jiàn)解。與先前研究結(jié)果相同的是,本研究中也發(fā)現(xiàn)了融合蒸汽氣泡體積隨脈沖間隔發(fā)生一定的變化。由于自由水域中, 20 mJ單脈沖能量SSP模式下形成蒸汽氣泡的膨脹周期在150 μs,總周期在270 μs,因此,在100～300 μs脈沖間隔設(shè)置下,SWEEPS雙脈沖模式形成融合蒸汽氣泡;并且當(dāng)?shù)谝幻}沖形成的蒸汽氣泡處于膨脹狀態(tài)時(shí)(膨脹周期所在的150 μs時(shí)間內(nèi)),輸入第二脈沖,可以觀測(cè)到融合氣泡的最大體積具有增加的趨勢(shì),但沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(圖3b,脈沖間隔設(shè)置為120 μs時(shí),融合氣泡最大體積時(shí)刻,氣泡下方會(huì)出現(xiàn)體積增加的現(xiàn)象)。但本研究中沒(méi)有觀測(cè)到第一脈沖蒸汽氣泡破碎速度增加的現(xiàn)象。本研究中認(rèn)為雙脈沖模式改變蒸汽氣泡動(dòng)力的最重要原因不是融合氣泡動(dòng)力學(xué)的改變,而是雙脈沖的輸入可以形成2 個(gè)獨(dú)立蒸汽氣泡,并且氣泡間會(huì)產(chǎn)生相互撞擊。

先前研究中指出,增強(qiáng)蕩洗效果的最佳脈沖間隔時(shí)間設(shè)置為第一蒸汽氣泡破碎的時(shí)候輸入第二脈沖能量,原因?yàn)榇藭r(shí)輸入第二脈沖能量可以加速第一脈沖形成的蒸汽氣泡發(fā)生更強(qiáng)烈破碎[9]。由于本文中認(rèn)為雙氣泡間的相互撞擊是蕩洗增強(qiáng)的主要原因,所以對(duì)最佳脈沖間隔時(shí)間設(shè)置持不同觀點(diǎn)。本研究認(rèn)為在第一脈沖形成的蒸汽氣泡坍縮后延時(shí)一段時(shí)間輸入可能可以獲得更好的蕩洗增強(qiáng)效果。在本研究中,第一脈沖蒸汽氣泡塌縮時(shí)間約為300 μs,雙氣泡間產(chǎn)生強(qiáng)烈碰撞的脈沖間隔時(shí)間為360～440 μs。但與前人研究結(jié)果相同的是,最佳的脈沖間隔時(shí)間均與氣泡本身的震蕩周期相關(guān)。這就導(dǎo)致不同水域限制性,如前牙髓腔、后牙髓腔及自由水域中,即便其他參數(shù)設(shè)置完全相同,最佳脈沖間隔設(shè)置時(shí)間也會(huì)有一定的差異,會(huì)給臨床最佳參數(shù)的設(shè)置帶來(lái)了一定困難。

4 結(jié) 論

本研究的結(jié)果提示,在自由水域中, Er∶YAG激光雙脈沖SWEEPS模式在適當(dāng)?shù)拿}沖間隔設(shè)置條件下,第二脈沖形成的蒸汽氣泡會(huì)與第一脈沖形成的蒸汽氣泡殘余相互碰撞,該現(xiàn)象可能可以增強(qiáng)鉺激光空穴效應(yīng),從而強(qiáng)化Er∶YAG激光激活蕩洗的臨床效果。