Thermische Effekte bei der Bearbeitung von Zahnhartgeweben mit einem 193 nm Excimer-Laser:
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2005
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Inhaltsverzeichnis
Kap. Seite
1. Einleitung und Zielsetzung 9
1.1 Einführung 9
1.2 Grundlagen der Lasertechnologie 10
1.2.1 Physikalische Eigenschaften der Laserstrahlung 10
1.2.2 Lasersysteme 10
1.3 Wechselwirkung zwischen Laserstrahlen und Gewebe 12
1.3.1 Auswirkung der Eigenschaften des Objekts 12
1.3.1.1 Optische Gewebeeigenschaften 13
1.3.1.2 Thermische Gewebeeigenschaften 14
1.3.2 Photochemische Effekte 15
1.3.3 Photothermische Effekte 16
1.3.4 Photoakustische Effekte 20
1.3.5 Nichtlineare Effekte 20
1.3.5.1 Photoablation 20
1.3.5.2 Photodisruption 22
1.4 Einsatz von Lasern in der Zahnheilkunde 24
1.4.1 Historischer Rückblick 24
1.4.2 Wechselwirkung zwischen Laserstrahlen und Zahnhartsubstanz 25
1.4.3 Mutagene Effekte 28
1.4.4 Anwendungsmöglichkeiten 28
1.4.4.1 Diagnostik 31
1.4.4.2 Kariesprävention 32
1.4.4.3 Kariestherapie 32
1.4.4.4 Endodontie 34
1.4.4.5 Parodontologie 34
1.5 Auswirkungen thermischer Effekte bei der Bearbeitung von Zahnhartgeweben 37
1.6 Zielsetzung 38
4
Kap. Seite
2. Material und Methode 39
2.1 Zahnmaterial 39
2.2 Versuchsaufbau 40
2.3 Durchführung 42
2.4 Erfassung und Auswertung der Daten 44
3. Ergebnisse 45
3.1 Temperaturerhöhung im zeitlichen Verlauf. 45
3.2 Temperaturerhöhung in Abhängigkeit von Pulsenergie, Pulsfrequenz und
Kühlung 48
4. Diskussion 53
4.1 Temperaturerhöhung im zeitlichen Verlauf. 53
4.2 Temperaturerhöhung in Abhängigkeit von Pulsenergie und Pulsfrequenz 54
4.3 Temperaturerhöhung in Abhängigkeit von der Kühlung 56
4.4 Bedeutung der eigenen Ergebnisse für die Grundlagenforschung 56
4.5 Schlussfolgerungen 58
5. Zusammenfassung 60
6. Literaturverzeichnis 61
7. Danksagung 74
8. Lebenslauf , 75
9. Anhang 76
5
Verzeichnis der Abbildungen
Abb. Seite
Abb. 1: Photonenenergie verschiedener Lasersysteme (Frentzen und Koort 1991) 11
Abb. 2: Wirkung der Laserstrahlung in Abhängigkeit von Leistungsdichte und
Interaktionszeit (Helfmann und Brodzinski 2003) 12
Abb. 3: Arten der Interaktion beim Auftreffen eines Laserstrahls auf Gewebe,
dargestellt am Beispiel der Zahnhartgewebe: Reflexion (R), Transmission
(T), Streuung und Absorption (A) (Frentzen und Koort 1991) 14
Abb. 4: Photothermische Wirkung der Laserstrahlung (Frentzen und Koort 1991) 18
Abb. 5: Thermomechanische Bearbeitung von Zahnhartgeweben (Frentzen und Koort
1991) 19
Abb. 6: Photoablation durch thermomechanische Dekomposition (Frentzen und
Koort 1991) 21
Abb. 7: Photodisruption (Frentzen und Koort 1991) 23
Abb. 8: Relative Transmission von Laserlicht bei humanem Zahngewebe in
Abhängigkeit der Wellenlänge: Die Transmissionsrate ist bei Wellenlängen
um 3 u,m (Absorptionsmaximum Wasser) und 9,6 um
(Absorptionsmaximum Hydroxylapatit) deutlich verringert (Nagasawa 1983) 26
Abb. 9: Absorptionsspektrum von Wasser und Hydroxylapatit im Bereich von ca.
100 nm bis 10 um (Koort 1993) 27
Abb. 10: Position der Temperatursonde im Pulpacavum in Relation zur Zentralfissur
(Frentzen 1990) 39
Abb. 11: Versuchsaufbau bestehend aus Acrylglashalterung, Arretiereinrichtung zur
Fixierung der Applikationseinheit des Lasers, Linsensystem zur Applikation
der Strahlung, Oszilloskop und Messgerät für die Thermosonde 40
Abb. 12: Acrylglashalterung mit Zentriereinrichtung zur Positionierung des
Zahnpräparates, 3-Düsen-Kühlsystem und Thermosonde. Darstellung als
Photo (oben) und als Schemazeichnung (unten) (Frentzen 1990) 41
Abb. 13: Acrylglashalterung mit Zahnpräparat als Nahaufnahme (Frentzen 1990) 42
6
Abb. Seite
Abb. 14: Temperaturerhöhung im zeitlichen Verlauf bei einer Pulsenergie von 100 mJ,
Pulsfrequenz von 20 Hz und ohne Kühlung (n=5) 45
Abb. 15: Temperaturerhöhung im zeitlichen Verlauf bei einer Pulsenergie von 100 mJ,
Pulsfrequenz von 20 Hz und 1 -Düsen-Kühlung (n=5) 46
Abb. 16: Temperaturerhöhung im zeitlichen Verlauf bei einer Pulsenergie von 100 mJ,
Pulsfrequenz von 20 Hz und 3-Düsen-Kühlung (n=5) 47
Abb. 17: Temperaturerhöhung nach 300 s ohne Kühlung in Abhängigkeit von der
Pulsenergie und der Pulsfrequenz (jede Versuchsserie: n=5) 48
Abb. 18: Temperaturerhöhung nach 300 s bei einer Pulsfrequenz von 9-10 Hz in
Abhängigkeit von der Pulsenergie und der Kühlung (jede Versuchsserie:
n=5) 51
7
Verzeichnis der Tabellen
Tab. Seite
Tab. 1: Auswirkungen von Wärme auf das Gewebe (Helfmann und Brodzinski 2003,
Koort 1994) 17
Tab. 2: Eigenschaften, die die Wechselwirkung zwischen Laserstrahlen und
Zahnhartsubstanz beeinflussen (Hilger 1997) 26
Tab. 3: Laser für zahnärztliche Anwendungen (Frentzen 1994) 29
Tab. 4: Laseranwendungen in der Zahnheilkunde (Frentzen und Koort 1991, Frentzen
1994) 30
Tab. 5: Übersicht der einzelnen Versuchsserien (jede Versuchsserie: n=5) 43
Tab. 6: Vergleich der Temperaturdifferenzen in Abhängigkeit von der Pulsenergie bei
jeweils gleichen Pulsfrequenzen von 5 Hz, 10 Hz und 20 Hz, p-Werte
errechnet mit dem unverbundenen t-Test 49
Tab. 7: Vergleich der Temperaturdifferenzen in Abhängigkeit von der Pulsfrequenz
bei jeweils gleichen Pulsenergien von 100 mJ, 165 mj und 300 mJ, p-Werte
errechnet mit dem unverbundenen t-Test 50
Tab. 8: Temperaturerhöhung in Abhängigkeit von den Versuchsparametern 52
Tab. 9: Versuchsserie I: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
50 mJ und einer Pulsfrequenz von 9 Hz 76
Tab. 10: Versuchsserie II-1: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
100 mJ und einer Pulsfrequenz von 5 Hz 77
Tab. 11: Versuchsserie II-2: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
100 mJ und einer Pulsfrequenz von 10 Hz 78
Tab. 12: Versuchsserie II-3: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
100 mJ und einer Pulsfrequenz von 20 Hz 79
Tab. 13: Versuchsserie III-1: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
165 mJ und einer Pulsfrequenz von 5 Hz 80
Tab. 14: Versuchsserie IH-2: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
165 mJ und einer Pulsfrequenz von 10 Hz 81
8
Tab. Seite
Tab. 15: Versuchsserie III-3: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
165 mJ und einer Pulsfrequenz von 20 Hz 82
Tab. 16: Versuchsserie IV-1: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
300 mJ und einer Pulsfrequenz von 5 Hz 83
Tab. 17: Versuchsserie VI-2: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
300 mJ und einer Pulsfrequenz von 9 Hz 84
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3
Inhaltsverzeichnis
Kap. Seite
1. Einleitung und Zielsetzung 9
1.1 Einführung 9
1.2 Grundlagen der Lasertechnologie 10
1.2.1 Physikalische Eigenschaften der Laserstrahlung 10
1.2.2 Lasersysteme 10
1.3 Wechselwirkung zwischen Laserstrahlen und Gewebe 12
1.3.1 Auswirkung der Eigenschaften des Objekts 12
1.3.1.1 Optische Gewebeeigenschaften 13
1.3.1.2 Thermische Gewebeeigenschaften 14
1.3.2 Photochemische Effekte 15
1.3.3 Photothermische Effekte 16
1.3.4 Photoakustische Effekte 20
1.3.5 Nichtlineare Effekte 20
1.3.5.1 Photoablation 20
1.3.5.2 Photodisruption 22
1.4 Einsatz von Lasern in der Zahnheilkunde 24
1.4.1 Historischer Rückblick 24
1.4.2 Wechselwirkung zwischen Laserstrahlen und Zahnhartsubstanz 25
1.4.3 Mutagene Effekte 28
1.4.4 Anwendungsmöglichkeiten 28
1.4.4.1 Diagnostik 31
1.4.4.2 Kariesprävention 32
1.4.4.3 Kariestherapie 32
1.4.4.4 Endodontie 34
1.4.4.5 Parodontologie 34
1.5 Auswirkungen thermischer Effekte bei der Bearbeitung von Zahnhartgeweben 37
1.6 Zielsetzung 38
4
Kap. Seite
2. Material und Methode 39
2.1 Zahnmaterial 39
2.2 Versuchsaufbau 40
2.3 Durchführung 42
2.4 Erfassung und Auswertung der Daten 44
3. Ergebnisse 45
3.1 Temperaturerhöhung im zeitlichen Verlauf. 45
3.2 Temperaturerhöhung in Abhängigkeit von Pulsenergie, Pulsfrequenz und
Kühlung 48
4. Diskussion 53
4.1 Temperaturerhöhung im zeitlichen Verlauf. 53
4.2 Temperaturerhöhung in Abhängigkeit von Pulsenergie und Pulsfrequenz 54
4.3 Temperaturerhöhung in Abhängigkeit von der Kühlung 56
4.4 Bedeutung der eigenen Ergebnisse für die Grundlagenforschung 56
4.5 Schlussfolgerungen 58
5. Zusammenfassung 60
6. Literaturverzeichnis 61
7. Danksagung 74
8. Lebenslauf , 75
9. Anhang 76
5
Verzeichnis der Abbildungen
Abb. Seite
Abb. 1: Photonenenergie verschiedener Lasersysteme (Frentzen und Koort 1991) 11
Abb. 2: Wirkung der Laserstrahlung in Abhängigkeit von Leistungsdichte und
Interaktionszeit (Helfmann und Brodzinski 2003) 12
Abb. 3: Arten der Interaktion beim Auftreffen eines Laserstrahls auf Gewebe,
dargestellt am Beispiel der Zahnhartgewebe: Reflexion (R), Transmission
(T), Streuung und Absorption (A) (Frentzen und Koort 1991) 14
Abb. 4: Photothermische Wirkung der Laserstrahlung (Frentzen und Koort 1991) 18
Abb. 5: Thermomechanische Bearbeitung von Zahnhartgeweben (Frentzen und Koort
1991) 19
Abb. 6: Photoablation durch thermomechanische Dekomposition (Frentzen und
Koort 1991) 21
Abb. 7: Photodisruption (Frentzen und Koort 1991) 23
Abb. 8: Relative Transmission von Laserlicht bei humanem Zahngewebe in
Abhängigkeit der Wellenlänge: Die Transmissionsrate ist bei Wellenlängen
um 3 u,m (Absorptionsmaximum Wasser) und 9,6 um
(Absorptionsmaximum Hydroxylapatit) deutlich verringert (Nagasawa 1983) 26
Abb. 9: Absorptionsspektrum von Wasser und Hydroxylapatit im Bereich von ca.
100 nm bis 10 um (Koort 1993) 27
Abb. 10: Position der Temperatursonde im Pulpacavum in Relation zur Zentralfissur
(Frentzen 1990) 39
Abb. 11: Versuchsaufbau bestehend aus Acrylglashalterung, Arretiereinrichtung zur
Fixierung der Applikationseinheit des Lasers, Linsensystem zur Applikation
der Strahlung, Oszilloskop und Messgerät für die Thermosonde 40
Abb. 12: Acrylglashalterung mit Zentriereinrichtung zur Positionierung des
Zahnpräparates, 3-Düsen-Kühlsystem und Thermosonde. Darstellung als
Photo (oben) und als Schemazeichnung (unten) (Frentzen 1990) 41
Abb. 13: Acrylglashalterung mit Zahnpräparat als Nahaufnahme (Frentzen 1990) 42
6
Abb. Seite
Abb. 14: Temperaturerhöhung im zeitlichen Verlauf bei einer Pulsenergie von 100 mJ,
Pulsfrequenz von 20 Hz und ohne Kühlung (n=5) 45
Abb. 15: Temperaturerhöhung im zeitlichen Verlauf bei einer Pulsenergie von 100 mJ,
Pulsfrequenz von 20 Hz und 1 -Düsen-Kühlung (n=5) 46
Abb. 16: Temperaturerhöhung im zeitlichen Verlauf bei einer Pulsenergie von 100 mJ,
Pulsfrequenz von 20 Hz und 3-Düsen-Kühlung (n=5) 47
Abb. 17: Temperaturerhöhung nach 300 s ohne Kühlung in Abhängigkeit von der
Pulsenergie und der Pulsfrequenz (jede Versuchsserie: n=5) 48
Abb. 18: Temperaturerhöhung nach 300 s bei einer Pulsfrequenz von 9-10 Hz in
Abhängigkeit von der Pulsenergie und der Kühlung (jede Versuchsserie:
n=5) 51
7
Verzeichnis der Tabellen
Tab. Seite
Tab. 1: Auswirkungen von Wärme auf das Gewebe (Helfmann und Brodzinski 2003,
Koort 1994) 17
Tab. 2: Eigenschaften, die die Wechselwirkung zwischen Laserstrahlen und
Zahnhartsubstanz beeinflussen (Hilger 1997) 26
Tab. 3: Laser für zahnärztliche Anwendungen (Frentzen 1994) 29
Tab. 4: Laseranwendungen in der Zahnheilkunde (Frentzen und Koort 1991, Frentzen
1994) 30
Tab. 5: Übersicht der einzelnen Versuchsserien (jede Versuchsserie: n=5) 43
Tab. 6: Vergleich der Temperaturdifferenzen in Abhängigkeit von der Pulsenergie bei
jeweils gleichen Pulsfrequenzen von 5 Hz, 10 Hz und 20 Hz, p-Werte
errechnet mit dem unverbundenen t-Test 49
Tab. 7: Vergleich der Temperaturdifferenzen in Abhängigkeit von der Pulsfrequenz
bei jeweils gleichen Pulsenergien von 100 mJ, 165 mj und 300 mJ, p-Werte
errechnet mit dem unverbundenen t-Test 50
Tab. 8: Temperaturerhöhung in Abhängigkeit von den Versuchsparametern 52
Tab. 9: Versuchsserie I: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
50 mJ und einer Pulsfrequenz von 9 Hz 76
Tab. 10: Versuchsserie II-1: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
100 mJ und einer Pulsfrequenz von 5 Hz 77
Tab. 11: Versuchsserie II-2: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
100 mJ und einer Pulsfrequenz von 10 Hz 78
Tab. 12: Versuchsserie II-3: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
100 mJ und einer Pulsfrequenz von 20 Hz 79
Tab. 13: Versuchsserie III-1: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
165 mJ und einer Pulsfrequenz von 5 Hz 80
Tab. 14: Versuchsserie IH-2: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
165 mJ und einer Pulsfrequenz von 10 Hz 81
8
Tab. Seite
Tab. 15: Versuchsserie III-3: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
165 mJ und einer Pulsfrequenz von 20 Hz 82
Tab. 16: Versuchsserie IV-1: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
300 mJ und einer Pulsfrequenz von 5 Hz 83
Tab. 17: Versuchsserie VI-2: Gemessene Temperaturen [°C] bei einer Pulsenergie von
300 mJ und einer Pulsfrequenz von 9 Hz 84 |
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