Wuhan Medfibers Technology Co., Ltd.
Address: B9-4, Hi-Tech Medical Device Park, #818 Gaoxin Avenue, East Lake Development Zone, Wuhan 430206, China.
Telefon: +86 27 59884234
Fax: +86-27-59884234


Thermal Effects of Lasers on Dental Tissues

08/09/2016  |  Tags: dental laser, dental laser tips,
The  thermal  effects  of  Nd:YAG,  argon,  and  C02  laser  beams  are  observed  on  enamel, dentin,  and  dental  pulp  by  means  of  computerized infrared thermography  and  thermocouple. This  study  shows  that  the  Nd:YAG  laser  beam  deeply diffuses  through the enamel  and  dentin to the pulp. The argon laser effects  are  inconsistent  depending  on  whether  the  enamel  surface  is  cleaned,  but  after  cleaning,  the  superficial  and  deep  temperatures  are  low.  With  the  C02  laser,  the  enamel and  dentin  surfaces  reach  very  high  temperatures,  but  only  low  temperatures  are  measured  in the pulp  chamber. 
Key  words:  dentistry,  CO2  laser, dental laser,  Nd:YAG  laser,  dental  enamel,  dentin
Although  lasers  are  now  widely  used  in  medical  practice  [Brunetaud  et  al.,  1980;  Brunetaud  and  Des-  comps,  1982; Brunetaud and  Mordon,  19841,  the  dental  applications  of  this  technology  are  not  yet  clearly  de-  fined.  Since  1965  [Kinersly  et  al.,  19661  it  has  been  known  that a  laser is able  not only  to  cut  soft tissues  but  also to  serve as  a  substitute  for  traditional  rotary  instru-  ments  in drilling hard dental tissues.  Various mechanisms have  been  sought to find pos-  sible  dental uses  for  lasers,  most of  them with a  prophy-  lactic  purpose.   Literature  reviews   reveal   that  most  medical  lasers  have been  tried on dental tissues,  but  the  effects  of  lasers  on  dental  pulp  have  not  been  studied.  Therefore, fuller information about the  quantitative  anal-  ysis  of  laser  thermal  effects on  dental tissues is needed.  To  date some  quantitative  analyses  of  these thermal  effects  are  lacking  in  precision.  Different authors  have  reported  use  of  thermistors  [Goldman  et  al.,  19651  or  thermocouples [Lobene  and  Fine,  19661.  After  laser treatment,  measurements  of  the surface  temperature  with an  infrared thermometer  and in  the  pulp  cavity  with  thermocouples have  been  reported,  but  the  results were  not  quantified  [Nagasawa,  19831.  The  purpose  of  this  report  is  to  quantify  thermal  effects  of  laser treatment on the  dental pulp;  knowledge  of  the  surface  temperature  may  influence  research  on  modifying  the  phy  sicai  or  chemical  properties  of  dental  hard tissues.
Lasers  Three  types  of  laser were  used  for  this  experimental  study:  1.  A  COz  laser,  Ercelas  40  (Biophysic  Medical,  clermont-Ferrand, France)  :  wavelength  10.6  pm;  power  0.1-30  W;  continuous  pulse  or  0.1,  0.2,  0.5,  or  1-sec  pulses;  focal  length  lens  125  mm;  spot  size  0.6-mm  diameter.  2.  A  Nd:YAG  laser,  Y.M.  100  (Cilas,  Marcous-  sis,  France):  wavelength 1.06  pm,  power  0-120  W;  con-  tinuous  pulse  or  0.2-0.7-sec  pulses;  spot  size  2-mm  diameter.  3.  An  argon laser Cooper  770  (Lasersonics,  Palo  Alto,  CA):  wavelength  487-544  nm;  power  0.5-10  W;  0.1-20-sec  pulses;  spot  size  1-mm  diameter.  Eighty-eight  human,   single-rooted,  freshly  ex-  tracted  teeth,  individually  stored  in  saline solution, were  used  in this  study.  Surface  Temperature Measurements  To  measure the surface temperature  of  dental hard  tissues  after laser  treatment,  we  used  infrared  thermog-  raphy  with  the  AGA  720  thermovision  system  (Agema,  Danderyd,  Sweden).  The  lens  aperture  of  the  infrared.
Computerized Data Processing
To  quantify  thermal  images,  computerized  data  processing  has  been  developed  in  our  laboratory  [Mor-  don  et  al.,  19831.  Thus  the  infrared  tissue  emission  is  recorded  on  a  3/4-inch  U-Matic  video  recorder  (Sony,  Tokyo,  Japan)  during  laser  irradiation. For  data process-  ing, the  video  recorder  is  connected  to a  computer. Two  types  of  data  may  be  obtained:  the  temperature profile  giving  the  spatial  distribution  of  the  thermal  energy  during laser irradiation, dental laser tips and  the temperature  evolution  of  a  predetermined  point  of  the  laser  spot  for  periods  of  12  sec.
Internal  Temperature Measurements  The temperature rise in the  pulp cavity  during irra-  diation  of  the  surface  hard  tissues  by  the  laser  is  mea-  sured  with  a  HYP-0  thermocouple (Omega,  Stamford,  CT).  It  is  a  cooper-constantan  thermocouple,  with  a  temperature range  of  -270"  to 400°C.  This thermocou-  ple  is  a 2.5-cm  long  and has  a 0.2-mm diameter steriliz-  able  needle.  The  small  diameter  permits  a  very  short  response  time:  7.  lOP3sec.  The  thermocouple  is  con-  nected  to an OMNI-AMP  I1  unit  (Omega)  and  then  to a  UIV  CM4  501  Schlumberger recorder.  To  obtain  maximum  accuracy, laser  shots  are  fo-  cused on  the middle  of  the buccal  or  lingual  areas  of  the  teeth, and  the thermocouple  position  inside  the pulp cav-  ity  is controlled  by  radiography.  Experimental  Procedure  Thermal measurements during  single  laser  shot  on  enamel  surface.  All  three  types  of  laser were  tested  with  the  same experimental procedure.  The thermocou-  ple  is  inserted  inside  the  tooth,  and  the  infrared camera  and  laser  are  focused.  The  external  and  internal temper-  ature  measurements  are  carried out during laser  shot.  Thermal measurements  during single  laser  shot  on  dentinal  surface.  Side  (3  mm)  and  deep  (1.5  mm)  cavities  are  drilled  with  a high-speed  burn  in the cervical  one-half  of  buccal  face  of  single-rooted teeth. The  pulpal  face is  carefully  flattened,  and  the  teeth  are  well  dried  before the laser shot.  After  our previous results  on  enamel,  and  because  of  other  reports  [Melcer  et  al.,  1982;  1983;  1984a,b;  19851,  only  the  C02  laser  has been tested  on dentin.  RESULTS  Single  Laser  Shot  on  Enamel Surface  Nd:YAG  laser.  Ten  shots  were  done  with  the  Nd:YAG  laser.  The  power  varied  from  3  W  to  35  W,  energy from  6  to  70 J,  and  energy  densities from  190  to  2,228  J/cm2.  The  macroscopic  aspect  of  the  enamel  surface  was  never altered. Thermal  results showed  a very  light  absorption  of  the  Nd:YAG  beam  by  enamel  and  dentin.  Energy   is  transmitted   to   the  pulp,  and  the  temperature rises  into  the pulp cavity is  in  direct  ratio to  the applied  power. External  and  internal  temperature rise  and  lack  of  surface  alteration  show  Nd:YAG  beam  diffusion  through  the  hard  tissues  to  the  pulp.  The  external temperature rise  is consistent  with  absorption  of  a small amount  of  the  incident  energy.  Argon  laser.  First,  20  shots were applied  with  the  power varying  from  5  to  8  W,  energy from  2.5  to  80.8  J,  and  energy densities from  318  to  10,287  J/cm2.  The  results   were  inconsistent.  The  temperatures  ranged  between  200  and  1,34O"C,  and  only  eight  values  were  detectable.  In  these   cases,   the   temperature  rose  a  maximum  of  900"C,  and  a blackish  crater  was  formed  in  the  enamel.  In  cross-section,  this  cone-shaped alteration  may  extend  to  the  pulp.  For  the  12  other  cases,  the  temperatures  never  reached  200"C,  and  no  macroscopic  tissue alterations were seen.  Another  20  argon  laser  shots  were  applied  after  cleaning  the enamel surface  with  an  ultrasonic device  and  polishing  with  silicon   cups.  The  parameters  reached  were  6  W,  3-60  J,  and  381-7,632  J/cm2.  In  this  range,  the  temperatures  never  reached  20O0C,  and  the  enamel  surface  was   not  altered.   The   internal   temperature  increased  in  proportion  to  the  energy  used  and  the  shooting  time,  but  the results were  not  consistent.  CO2  laser.  The  results  are  given  in  Figures  1,  2,  and  3.  Figure  1  shows  the surface effect  of  temperature  on the  function  of  fluence  on  the immature  tooth  enamel.  The  temperature increase is  very  important,  and  1,340"C  is  obtained  for  fluences  between  200  J/cm2  and  1,OOO  J/cm2.  Figure 2  shows the effect  of  surface temperature  on  the  function  of  fluence on  mature  tooth  enamel.  In  Figure  2,  the temperature increase is  lower  than  that  in  Figure  1, and the dispersion  of  data  is  greater.  Figure 3  shows the  effect of  surface temperature  on  the  function  of  fluence on  dentin.  There  is  only  slight  dispersion  of  the  data.  The  temperature  increase  is  lower  than  that  obtained on  enamel.