2.8μm激光器研究及其在牙本质消融中的应用

作     者：吴起通 

作者单位：长春理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李永亮

授予年度：2022年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0836[工学-生物工程] 0803[工学-光学工程] 

主      题：激光消融术 2.8μm激光 牙本质组织 SEM成像 

摘      要：中红外2.8μm波段激光位于水分子和羟基磷灰石的吸收峰附近,在生物医疗领域它能准确对目标组织进行微创治疗,具有穿透深度浅、热损伤范围小、手术精度高等优点。因此在牙科、骨科、疼痛科等领域具有广阔的临床应用前景。目前,医用中红外激光在临床上大多采用静态工作模式,静态激光脉冲宽度大,消融过程中会产生过多的热负荷和热应力,导致周围健康组织损伤或碳化。调Q激光具有峰值功率高,脉冲宽度窄的优势,可以在保证消融效率的同时有效减少热损伤的发生。因此,本论文采用电光调Q技术,成功实现了高峰值功率、窄脉宽的2.8μm激光输出,并利用所搭建的调Q 2.8μm激光源对牙本质组织进行了消融实验研究,进一步验证了调Q 2.8μm窄脉冲激光装置在生物医疗方面的安全性和先进性。首先,基于激光牙本质消融理论,研究了牙本质的光学特性和消融机制,采用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件,建立了基于网格划分的激光牙本质消融模型,计算了不同脉冲宽度下激光消融牙本质组织的温度场分布。仿真结果表明:压缩激光的脉冲宽度可以有效降低辐照区域的温度,有效限制高温区范围,避免周围健康组织产生热损伤。其次,在实验研究中,对激光器的器件做了有针对性的选取,搭建了氙灯泵浦Er,Cr;YSGG电光调Q激光实验装置。当激光器以5Hz的重复频率静态运行时,获得了545m J的最大单脉冲输出能量,对应中心输出波长为2797.6nm。选用LGS晶体作为退压式调Q元件,在泵浦能量45J,重复频率5Hz的工作条件下,获得了最大动态脉冲能量126m J、脉冲宽度37.58ns的调Q激光输出。对应峰值功率达到3.35MW,为后续牙本质消融实验提供了高峰值功率、窄脉宽的调Q激光光源。最后,为了验证仿真模型计算的准确性,采用自主搭建的调Q 2.8μm Er,Cr:YSGG激光器作为辐照光源,在静态和调Q两种模式下对离体牙本质组织进行消融实验。使用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)观察牙本质消融后的表面形貌和坑洞变化,并采用热电偶测量两种激光模式对牙髓腔的温度分布。结果表明,与静态激光相比,调Q激光能更好地提高消融精度,可获得更好的消融形貌,消融过程中牙髓腔温度低于5.6℃,减小了热损伤范围,保证了牙髓组织的生物活性。同时,实验还研究了不同剂量的水雾对调Q激光牙本质消融效果产生的影响。结果表明,适当的水雾流量可以改善牙本质的表面形态结构,增强消融效果,更有利于牙本质小管的开放。