МОДИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ
SURFACE STRUCTURE MODIFYING

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к способу модифицирования структуры поверхности материала и, в частности, для формирования наконечника оптического волокна, пригодного для эмитирования и детектирования излучения. Настоящее изобретение относится также к способу и устройству для взаимодействия с частью субъекта и, в частности, использованию наконечника оптического волокна для эмитирования или детектирования излучения.
Описание известного уровня техники
Ссылка в этом описании на любую предшествующую публикацию (или информацию, полученную из нее) или любой объект, который известен и не рассмотрен как подтверждение или допущение, или любая форма предложения, что предшествующая публикация (или информация, полученная из нее) или известный объект являются частью общедоступного известного уровня техники в области применений, к которой это описание относится.
Оптические волокна используются в ряде различных медицинских применений типично для доставки лазерного или другого подобного излучения к части субъекта или для детектирования излучения, такого как флуоресценция. В стоматологии излучение применяют для идентификации кариеса, зубного камня и бактериальной инфекции на зубах.
Патенты США №№ 5306144, 6024562 и 6186780 от имени Гибста (Hibst) с соавторами, переуступленные Kaltenbach & Voigt GmbH & Co., раскрывают оптические способы и устройства для обнаружения кариеса зубов, зубного камня и бактериальных инфекций на зубах, используя видимый красный свет из лазера, который вызывает флуоресценцию. Однако эти методики не предусмотрены для идентификации бактериальной инфекции внутри пульповых камер и корневых каналов зубов.
Патент США № 5503559 от имени Вари (Vari), переуступленный медицинскому центру Cedars-Sinai Medical Center, раскрывает оптоволоконный эндодонтический способ и устройство для определения местоположения входа корневого канала, используя индуцированную флуоресцентную спектроскопию и потом герметизацию и пломбирование корневого канала, используя светоотверждаемый пломбировочный материал. Однако этот способ и устройство не определяют наличие места или степень бактериальной инфекции в корневом канале и не обеспечивают управляемое средство для удаления такой инфекции во время обработки.
Коммерчески доступное лазерное устройство флуоресцентной эмиссии и детектирования, обычно называемое как DiagnoDENT, использует диодный лазер, который испускает видимое лазерное излучение при длине волны 655 нм, и оптические наконечники с центральным эмитирующим волокном и множеством периферических собирающих волокон. Комплекс многоэлементных жестких оптических наконечников, типично используемый с этим устройством для детектирования зубного кариеса, является непригодным для использования в пульповой камере и пространстве корневого канала из-за его большого диаметра и длины, а также отсутствия гибкости.
Известным способом обработки корневого канала от микробной инфекции является фотоактивируемая дезинфекция (PAD) - (photo-activated disinfection), фотодинамический процесс, который использует маломощное излучение от диодного лазера, которое типично передается посредством одноразового оптического волокна, чтобы активировать светочувствительное вещество (агент) в водном растворе. Патент США 5611793 Уилсона (Wilson) и Уилсона раскрывает способ использования PAD для дезинфицирования или стерилизации тканей ротовой полости или раны, или повреждения в ротовой полости, используя фотосенсибилизирующее соединение, облученное светом лазера.
Лазеры также используют для удаления слоя мазка и приготовления корневого канала, а также для применений на мягких тканях, таких как защитное покрытие пульпы и пульпотомия. Для эндодонтических применений на твердых тканях подачу лазерной энергии типично выполняют, используя плоские оптические волокна, прикрепленные к дентальным наконечникам.
Оптические волокна в эндодонтологии должны быть небольшими и гибкими для того, чтобы преодолевать комплексную искривленную и извилистую анатомию корневого канала. Гибкость существующих оптических волокон меньше, чем для сверхэластичных Ni-Ti инструментов, используемых в традиционной эндодонтологии. Что еще более важно, существующие волокна имеют плоские концы, так что энергия лазера выходит прямо с относительно небольшой дивергенцией, требующейся клинисту для перемещения волокна в погружающем, извлекающем и вращающем действии, чтобы попытаться усилить равномерное облучение стенок канала.
Ряд модификаций оптических волокон для медицинских применений был изложен в Verdaasdonk RM, van Swol CF. Laser light delivery systems for medical applications. PhysMed Biol 1997; 42(5):869-894.
Для стоматологии такие модификации включают в себя удлинители полых волноводов к оптическим волокнам для  (Er:YAG) Alves PR, Aranha N, Alfredo E, Marchesan MA, Brugnera Junior A, Sousa-Neto MD. "Evaluation of hollow fibreoptic tips for the conduction of Er:YAG laser", Photomed Laser Surg 2005; 23(4):410-415, и применение полых металлических конических наконечников с щелями для боковой эмиссии Stabholz A, Zeltser R, Sela M, Peretz B, Moshonov J, Ziskind D, Stabholz A. "The use of lasers in dentistry: principles ofoperation and clinical applications", Compend Contin Educ Dent 2003; 24(12):935-948. Такие металлические волноводы имеют ограниченное клиническое применение в ситуациях, кроме как в больших и прямых корневых каналах из-за их размера и присущей жесткости.
Для оптических волокон конические концы могут быть созданы путем шлифования и полирования, как описано в ShirkGJ, Gimpelson RJ, Krewer К "Comparison of tissue effects withsculptured fibreoptic cables and other Nd:YAG laser and argonlaser treatments", Lasers Surg Med 1991; 11(6):563-568, и Shoji S, Hariu H, Horiuchi H. "Canal enlargement by Er:YAG laserusing a cone-shaped irradiation tip". J Endod 2000; 26(8):454-458.
Концы оптических волокон могут также быть модифицированы путем крепления определенных материалов к концу волокна для распределения энергии, включающих диоксид титана. Такие изотропические наконечники могут иметь применение для фотодинамической терапии (фотоактивируемой дезинфекции) в эндодонтологии, как описано в работе Walsh LJ. "The current status of laser applications in dentistry", Aust Dent J 2003; 48(3):146-155.
Однако даже с применением конических концов, а также наконечников, модифицированных произвольными фиксирующимиматериалами, большинство эмиссий происходит обычно из конца волокна. Следовательно, такие конфигурации требуют значительной манипуляции оператором, чтобы попытаться равномерно облучить (осветить) или иным способом подвергнуть полость воздействию излучения. Это в свою очередь ведет к трудоемкой обработке с возможностью только ограниченной гарантии успеха. Поэтому очевидно, что такая известная волоконная оптика является неподходящей для использования в ортодонтических применениях.
Оптические волокна могут быть использованы также в других медицинских применениях, таких как фотодинамическая терапия (PDT) - (photodynamic therapy), которая является минимально инвазивной обработкой, используемой в обрабатывании злокачественных новообразований.
В работе "Photodynamic therapy: a clinical reality in the treatmentof cancer" LANCET Oncology Vol 1 декабрь 2000 г., Колин Хоппер (Colin Hopper) описывает использование кислорода, фотосенсибилизатора, а также облучения для проведения PDT. В этом документе лазерный свет направляют по волоконно-оптическим кабелям, дающим возможность вводить свет в полые органы и глубоко расположенные опухоли.
Кроме того, оптические волокна могут быть использованы в интерстициальной лазерной термотерапии, как описано, например, в работе Thomas J. Polascik и Vladimir Mouraviev "Focal therapy for prostate cancer" Curr Opin Urol 18:269-274.
Использование рассеивателя и вращающихся волокон описано в работе Thomas J. Vogl, Katrin Eichler, Martin G. Mack, Stephan Zangos, Christopher Herzog, Axel Thalhammer, Kerstin Engelmann "Interstitial photodynamic laser therapy ininterventional oncology" Eur Radiol (2004) 14:1063-1073.
С другой стороны, в этих применениях оптические волокна типично обеспечивают эмиссии только из конца волокна. Следовательно, опять требуется значительная манипуляция оператором, чтобы равномерно облучить опухоль другой части субъекта при обработке.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение стремится по существу преодолеть, по меньшей мере, улучшить, один или более недостатков существующих установок.
Согласно первой широкой форме настоящее изобретение стремится обеспечить способ формирования наконечника оптического волокна, причем способ включает в себя:
a) огрубление (придание шероховатости), по меньшей мере, части концевой части оптического волокна и
b) травление огрубленной концевой части, чтобы, таким образом, образовать наконечник оптического волокна.
Типично, поверхность наконечника оптического волокна имеет многочисленные грани.
Типично, грани являются закругленными с вогнутой формой.
Типично, каждая грань предназначена для распределения падающего излучения под множеством углов.
Типично, грани имеют размер в области от 10 мкм до 100 мкм.
Типично, наконечник оптического волокна имеет сотовую структуру поверхности.
Типично, способ включает в себя огрубление конца путем абразивного действия (обработки).
Типично, способ включает в себя абразивную обработку конца с использованием пучка частиц.
Типично, способ включает в себя:
a) вращение концевой части и
b) подвергание вращающейся концевой части действию пучка частиц.
Типично, пучок частиц включает в себя частицы, по меньшей мере, одного из:
a) оксида алюминия;
b) кубического нитрида бора;
c) карбида кремния;
d) диоксида кремния;
e) оксида циркония;
f) диоксида циркония;
g) карборунда;
h) корунда и
i) оксида магния.
Типично, частицы имеют средний размер, по меньшей мере, один из:
a) от 25 до 100 мкм и
b) приблизительно 50 мкм.
Типично, пучок частиц генерируют, используя сжатый газ.
Типично, газом является, по меньшей мере, один из:
a) воздуха;
b) азота;
c) диоксида углерода и
d) негорючего газа.
Типично, газ имеет давление приблизительно 2,8 бар.
Типично, способ включает в себя травление концевой части с использованием кислоты.
Типично, кислота включает в себя, по меньшей мере, одну из:
a) фтористоводородной кислоты;
b) смеси фтористоводородной кислоты и ортофосфорной кислоты и
c) смеси фтористоводородной кислоты, ортофосфорной кислоты и фторидного соединения.
Типично, кислота находится, по меньшей мере, в одной из:
a) паровой фазе и
b) жидкой фазе.
Типично, способ включает в себя травление концевой части в течение 10-15 минут.
Типично, способ включает в себя придание формы концевой части.
Типично, способ включает в себя придание формы концевой части до огрубления концевой части.
Типично, способ включает в себя придание формы концевой части, так что концевая часть сужается к окончанию оптического волокна.
Типично, способ включает в себя придание концевой части конической формы.
Типично, способ включает в себя придание формы концевой части путем предварительного травления концевой части.
Типично, способ включает в себя предварительное травление конца, используя кислоту.
Типично, способ включает в себя предварительное травление конца в течение примерно 45-180 минут.
Типично, способ включает в себя удаление полимерного покрытия с оптического волокна, чтобы обнажить концевую часть.
Типично, оптическим волокном является, по меньшей мере, одно из:
a) стекловолокна;
b) стекловолокна, легированного фторидом, и
с) стекловолокна, легированного германием.
Согласно второй широкой форме настоящее изобретение стремится обеспечить оптическое волокно, включающее в себя наконечник, имеющий граненую структуру поверхности.
Типично, грани являются закругленными и вогнутыми по форме.
Типично, каждая грань способна к распределению излучения и собиранию падающего излучения под множеством углов.
Типично, грани имеют размер в области 10 - 100 мкм.
Типично, наконечник оптического волокна имеет сотовую структуру поверхности.
Типично, наконечник имеет по существу коническую форму.
Типично, наконечник сужается к окончанию оптического волокна.
Согласно третьей широкой форме настоящее изобретение стремится обеспечить устройство для взаимодействия с частью субъекта, причем устройство включает в себя:
a) оптическую систему для, по меньшей мере, одного из излучения генерирования или излучения детектирования; и
b) оптическое волокно, связанное с оптической системой на первом конце, второй конец оптического волокна включает наконечник, по меньшей мере, часть наконечника, имеет коническую или граненую структуру поверхности, которая позволяет излучению испускаться или приниматься посредством наконечника, по меньшей мере, частично в направлении, перпендикулярном оси оптического волокна.
Типично, наконечник оптического волокна имеет сотовую структуру поверхности.
Типично, наконечник оптического волокна имеет коническую форму.
Типично, оптическая система включает в себя источник излучения для генерирования испускаемого излучения из наконечника.
Типично, оптическая система включает датчик для обнаружения излучения, полученного посредством наконечника.
Типично, оптическая система включает в себя:
a) первый источник излучения для испускания излучения первой длины волны;
b) второй источник излучения для испускания излучения второй длины волны и
c) оптические элементы для оптического связывания первого и второго источников излучения с первым концом оптического волокна.
Типично, оптические элементы включают в себя оптический переключатель для селективного связывания источников излучения с оптическим волокном.
Типично, первый источник излучения является, по меньшей мере, одним из:
a) твердотельного лазера;
b) газового лазера;
c) диодного лазера;
d) светоизлучающего диода.
Типично, первый источник испускает лазерное излучение первой длины волны от 650 до 670 нм.
Типично, второй источник излучения является, по меньшей мере, одним из:
a) твердотельного лазера;
b) газового лазера;
c) мощного диодного лазера и
d) светоизлучающего диода.
Типично, первый и второй источники излучения формируют из диодного лазера, работающего в режиме с низкой мощностью для испускания первого излучения и в режиме высокой мощности для испускания второго излучения.
Типично, источник второго излучения испускает лазерное излучение второй длины волны от 480 до 830 нм, чтобы активировать фотосенсибилизатор.
Типично, по меньшей мере, один из источников излучения эксплуатируется в импульсном режиме.
Типично, источник излучения эксплуатируется в импульсном режиме, по меньшей мере, для одного из того, чтобы:
a) уменьшать аккумуляцию тепла;
b) генерировать кавитацию во флюидах, в которые помещают волокно;
c) генерировать ударные волны во флюидах, в которые помещают наконечник волокна;
d) достигать абляции твердых тканей зуба;
e) генерировать фотоакустические эффекты;
f) улучшать отношение сигнал-шум;
g) снижать тепловое рассеивание из устройства;
h) снижать расход энергии.
Типично, устройство включает в себя блок обработки, связанный с оптическими элементами для:
a) получения вызванного светом флуоресцентного излучения и
b) измерения уровня бактерий в полости с использованием принятого излучения.
Типично, устройство включает в себя блок обработки для управления, по меньшей мере, одним из первого и второго источников излучения и оптический переключатель.
Типично, устройство предназначено, по меньшей мере, для одного из:
a) измерения уровня бактерий в полости с использованием индуцированной светом флуоресценции и
b) дезинфицирования бактерий в полости с использованием, по меньшей мере, одной из фототермической, фотоакустической и фотодинамической обработки;
c) подвергания, по меньшей мере, одной из полости и опухоли воздействию излучения;
d) для детектирования оптической флюоресценции и
e) идентификации и обработки бактерий в полостях зубов.
Типично, полости включают в себя корневые каналы.
Согласно четвертой широкой форме настоящее изобретение стремится обеспечить способ взаимодействия с частью субъекта, причем устройство включает в себя:
a) позиционирование наконечника оптического волокна смежным, по меньшей мере, с частью субъекта, причем оптическое волокно имеет граненую структуру поверхности, которая позволяет излучению испускаться или приниматься посредством наконечника, по меньшей мере, частично в перпендикулярном направлении к оси оптического волокна; и
b) использование оптической системы, связанной с оптическим волокном, по меньшей мере, для того, чтобы генерировать или детектировать излучение.
Согласно пятой широкой форме настоящее изобретение стремится обеспечить устройство для идентификации и обработки бактерий в полостях зубов, при этом устройство включает в себя:
а) первый источник излучения для испускания излучения первой длины волны;
b) второй источник излучения для испускания излучения второй длины волны и
c) оптические элементы для оптического связывания первого и второго источников излучения с полостями для:
i) измерения уровня бактерий в полости с использованием индуцированной светом флуоресценции и
ii) дезинфицирования бактерий в полости с использованием, по меньшей мере, одного из фототермического, фотоакустического и фотодинамического способа обработки, где существует уровень бактерий.
В шестой широкой форме настоящее изобретение стремится обеспечить способ идентификации и обработки бактерий в полостях зубов, причем способ включает в себя этапы:
a) измерения уровня бактерий в полостном канале с использованием индуцирования светом флуоресценции;
b) дезинфицирования бактерий в полости с использованием способа фототермической или фотодинамической обработки, где существует уровень бактерий, и
c) повторного измерения уровня бактерий в полости с использованием индуцированной светом флуоресценции, чтобы обеспечить обратную связь для эффективности обработки.
В седьмой широкой форме настоящее изобретение стремится обеспечить способ модифицирования структуры поверхности материала, чтобы, таким образом, модифицировать оптические свойства, причем способ включает в себя:
a) огрубление поверхности материала и
b) травление огрубленной концевой поверхности так, что материал имеет граненую структуру поверхности.
Типично, грани являются закругленными.
Типично, каждая грань предназначена для распределения падающего излучения под множеством углов.
Типично, наконечник оптического волокна имеет сотовую структуру поверхности.
Типично, способ включает в себя огрубление поверхности путем абразивной обработки.
Типично, способ включает в себя абразивную обработку поверхности с использованием пучка частиц.
Типично, пучок частиц включает в себя частицы, по меньшей мере, одного из:
a) оксида алюминия;
b) кубического нитрида бора;
c) карбида кремния;
d) диоксида кремния;
e) оксида циркония;
f) диоксида циркония;
g) карборунда;
h) корунда и
i) оксида магния.
Типично, частицы имеют средний размер, по меньшей мере, один из:
a) от 25 до 100 мкм; и
b) приблизительно 50 мкм.
Типично, пучок частиц генерируют, используя сжатый газ.
Типично, газом является, по меньшей мере, один из:
a) воздуха;
b) азота;
c) диоксида углерода и
d) негорючего газа.
Типично, газ имеет давление приблизительно 2,8 бар.
Типично, способ включает травление поверхности с использованием кислоты.
Типично, кислота включает в себя, по меньшей мере, одну из:
a) фтористоводородной кислоты;
b) смеси фтористоводородной кислоты и ортофосфорной кислоты и
c) смеси фтористоводородной кислоты, ортофосфорной кислоты и фторидного соединения.
Типично, кислота находится в, по меньшей мере, одной из:
a) паровой фазе и
b) жидкой фазе.
Типично, способ включает в себя травление поверхности в течение 10-15 минут.
Краткое описание фигур чертежей
Теперь будет описан пример настоящего изобретения со ссылкой на прилагающиеся чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой блок-схему процесса образования наконечника оптического волокна;
фиг.2A представляет собой блок-схему примера оптического волокна, имеющего концевую часть;
фиг.2B представляет собой блок-схему оптического волокна на фиг.2A, имеющего концевую часть приданной определенной формы;
фиг.2C представляет собой блок-схему оптического волокна с фиг.2B с концевой частью, имеющего травленую, огрубленную концевую часть;
фиг.3A представляет собой изображение от сканирующего электронного микроскопа, показывающее топографию поверхности примера оптического волокна, имеющего конусообразный наконечник;
фиг.3B представляет собой изображение от сканирующего электронного микроскопа, показывающее топографию поверхности примера оптического волокна, имеющего огрубленный наконечник;
фиг.3C представляет собой первое изображение от сканирующего электронного микроскопа, показывающее топографию поверхности примера оптического волокна, имеющего огрубленный и травленый наконечник;
фиг.3D представляет собой второе изображение от сканирующего электронного микроскопа, показывающее топографию поверхности примера наконечника оптического волокна, имеющего огрубленный и травленый наконечник;
фиг.4A представляет собой блок-схему примера испускания излучения из оптического волокна фиг.3A;
фиг.4B представляет собой блок-схему примера рассеяния излучения огрубленной и травленой поверхностью;
фиг.4C представляет собой блок-схему примера испускания излучения из оптического волокна фиг.3C;
фиг.5 представляет собой блок-схему второго примера процесса формирования наконечника оптического волокна;
фиг.6A-6C представляют собой блок-схемы примера процесса травления оптического волокна, чтобы создать конусообразный наконечник;
фиг.7 представляет собой блок-схему примера устройства для огрубления наконечника оптического волокна;
фиг.8A-8C представляют собой элементные аналитические диаграммы примеров оптических волокон;
фиг.9A представляет собой диаграмму примеров прямых испусканий из ряда различных наконечников оптического волокна;
фиг.9B представляет собой диаграмму примеров боковых испусканий из ряда различных наконечников оптического волокна;
фиг.10A представляет собой пример распределения видимого красного света из коаксиального прицельного луча для немодифицированного оптического волокна;
фиг.10B представляет собой пример распределения видимого красного света из коаксиального прицельного луча для оптического волокна, имеющего конический наконечник;
фиг.10C представляет собой пример распределения видимого красного света из коаксиального прицельного луча для оптического волокна, имеющего огрубленный конический наконечник;
фиг.10D представляет собой пример распределения видимого красного света из коаксиального прицельного луча для оптического волокна, имеющего огрубленный и травленый конический наконечник;
фиг.11A представляет собой фотографию наконечника оптического волокна, имеющего коническую форму;
фиг.11B представляет собой тепловой отпечаток, полученный с использованием наконечника оптического волокна с фиг.8A при использовании Nd:YAG лазера;
фиг.11C представляет собой фотографию наконечника оптического волокна, имеющего огрубленный и травленый конический наконечник; и
фиг.11D представляет собой тепловой отпечаток, полученный с использованием наконечника оптического волокна с фиг.8C при использовании Nd:YAG лазера;
фиг.12 представляет собой блок-схему, показывающую пример устройства для обрабатывания бактерий;
фиг.13 представляет собой блок-схему, показывающую второй пример устройства для обрабатывания бактерий;
фиг.14 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ обработки бактерий; и
фиг.15A представляет собой блок-схему устройства для подвергания части субъекта воздействию излучения;
фиг.15B представляет собой блок-схему наконечника оптического волокна для подвергания части субъекта воздействию излучения;
фиг.16 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую эффект модифицирования структуры поверхности материала.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения
Теперь будет описан пример способа модифицирования структуры поверхности материала, чтобы, таким образом, модифицировать оптические свойства. С целью этого примера способ используют для получения наконечника оптического волокна, как будет теперь описано со ссылкой на фиг.1, а также фиг.2А-2С.
В этом примере на этапе 100 концевой части оптического волокна опционально придают форму. Пример оптического волокна 200 показан на фиг.2А. В этом примере оптическое волокно 200 заключает в себе материал сердцевины 210, такой как кварцевое стекло или подобное, который может опционально окружать оболочка 220, такая как защитный полимерный слой или подобное. В этом примере концевая часть 211 типично простирается на расстояние D от конца 212 сердцевины 210. Типично, оболочку 220 удаляют, чтобы открыть для воздействия, по меньшей мере, концевую часть 211 и, опционально, для дополнительной части сердцевины 210, как показано.
Формообразование может быть любой подходящей формы, и его типично выбирают для того, чтобы максимально увеличить величину излучения, падающего на внутреннюю поверхность концевой части 211. Соответственно, в одном примере концевая часть 211 сужается, чтобы, таким образом, обеспечивать в основном коническую форму, пример которой показан на фиг.2В. Формообразование может быть осуществлено любым подходящим способом, таким как полирование, шлифование, травление, тепловая деформация или подобное, в зависимости от требуемой формы.
На этапе 110 наружную поверхность концевой части огрубляют (делают шероховатой). Огрубление может быть осуществлено любым подходящим способом, но в одном примере его осуществляют абразивным действием, например, используя зернистый материал, увлекаемый в газовую струю. Подходящие зернистые материалы включают в себя оксид алюминия (корунд), кубический нитрид бора, карбид кремния, диоксид кремния, оксид циркония, диоксид циркония, карборунд, корунд и оксид магния. Газ может содержать сжатый воздух, азот, диоксид углерода или другие негорючие газы. В этом примере газовую струю направляют на концевую часть, так что зернистый материал воздействует на поверхность, таким образом скалывая и, по-другому, абразивно обрабатывая поверхность концевой части 211, вызывая огрубление поверхности. Частицы типично имеют размер между 25 мкм и 100 мкм и, типично, приблизительно 50 мкм.
Более стойкий эффект может быть достигнут с пучком частиц, чем с использованием абразивов со связкой, таких как в абразивной бумаге или шлифовальных кругах, используя или ручную технику, или вращающийся полировальник, и также уменьшается угроза повреждения волокна.
На этапе 120 огрубленную концевую часть волоконно-оптического кабеля травят, используя способ травления, такой как обработка кислотным травлением с подходящей кислотой. Подходящие обработки включают, по меньшей мере, одну из фтористоводородной кислоты; смеси фтористоводородной кислоты и ортофосфорной кислоты и смеси фтористоводородной кислоты, ортофосфорной кислоты и фторидного соединения, такого как фторид натрия, фторид калия или фторид аммония. Скорость травления и достигнутая форма могут меняться путем изменения состава и температуры кислотной обработки, а также путем изменения продолжительности воздействия для обработки кислотным травлением. Типично, травление осуществляют в течение приблизительно 10-15 минут. Кислота может быть в паровой фазе или подобной фазе. В одном примере кислоту применяют к волокну, используя паровой способ. В дополнительном примере кислотная обработка может быть выполнена путем погружения волокна в кислотостойкий или тефлоновый контейнер с травильной жидкостью. В наиболее предпочтительном способе травление достигается путем погружения конца волокна в жидкость посредством второй среды, которая изменяет поверхностное натяжение и угол контакта между кислотным раствором и наконечником волокна. Подходящей второй средой является силиконовое масло, однако могут быть также использованы другие подходящие кислотостойкие материалы.
Способ травления типично улучшает характеристики в огрубленной поверхности, таким образом, давая в результате нерегулярную структуру поверхности, как показано на фиг.2С. В одном примере структурой поверхности является граненая или сотовая структура, имеющая ряд граней, которые действуют, чтобы рассеивать падающее излучение на структуре поверхности, как будет подробнее описано ниже.
Изображения от сканирующего электронного микроскопа примера концевых частей оптического волокна теперь будут описаны со ссылкой на фиг.3А-3D.
В примере фиг.3А концевой части придали определенную форму на этапе 100, используя способ кислотного травления, как будет подробнее описано ниже. Изображение иллюстрирует, что наружная поверхность концевой части 211 типично является гладкой после процедуры придания формы.
Фиг.3В показывает пример, в котором концевую часть оптического волокна огрубили, используя зернистый абразив. В этом случае, изображение показывает, что концевая часть 211 имеет огрубленную поверхность, включающую маленькие пики и впадины.
После процесса травления этапа 120 травленая поверхность имеет нерегулярную структуру поверхности, имеющую ряд граней 300, которые образуют, как правило, сотовую структуру поверхности, как показано на фиг.3С и 3D. Сотовая структура поверхности возникает из-за травления пиков и впадин в огрубленной поверхности концевой части, которая увеличивает свой относительный размер.
Размер граней может регулироваться изменением размера частиц и/или времени травления. В этом примере, используя частицы, имеющие размер между 25 мкм и 100 мкм, и время травления от 10 до 15 минут, грани типично имеют размер в области от 10 до 100 мкм и наиболее предпочтительно 50 мкм. Они имеют правильную вогнутую форму, и общая топография обработанной поверхности является правильной, хотя размер отдельных граней изменяется от одного до следующего.
Присутствие сотовой структуры поверхности улучшает рассеяние излучения с поверхности концевой части 211. В результате концевая часть испускает большую величину излучения в боковом направлении (направлении, простирающемся по существу перпендикулярно к оси концевой части). Пример этого показан на фиг.4А-4С. Эта модификация поверхности также улучшает способность конца волокна собирать излучение, например, для использования в диагностических целях. Общая регулярная форма поверхности способствует и передаче, и собиранию света. В частности, вогнутая сферическая форма граней, а также их размер оптимизируют боковую дисперсию и собирание и видимого, и ближнего инфракрасного света.
В примере фиг.4А показана гладкая суженная концевая часть 211, получающаяся от придания формы концевой части 211. В этом примере излучение, переданное сердцевиной 210, отражается от внутренней поверхности и сердцевины 210, и концевой части 211, как показано стрелками 400. В результате, большая часть излучения испускается из конца 212 оптического волокна, как показано стрелками 401, причем, только с очень маленькими величинами излучения, которые испускаются из концевой части 211 в боковом направлении, как показано стрелками 402.
Однако в случае оптического волокна, имеющего структуру поверхности, образованную огрублением и травлением, как показано на фиг.4В, излучение 410, переданное сердцевиной 210, рассеивается структурой поверхности, как показано стрелками 411. В частности, в этом случае каждая грань структуры поверхности распределяет падающее излучение под множеством углов, таким образом, приводя к широкому профилю рассеяния. Этому способствует размер граней, который заключается в области 10 мкм - 100 мкм, который оптимизирует эффект рассеяния, таким образом, повышая боковые эмиссии. В результате, гораздо большая часть излучения испускается из концевой части 211 в боковом направлении 412, как показано на фиг.4С.
Из этого очевидно, что присутствие структуры поверхности повышает величину излучения, испускаемого вбок из оптического волокна. Следует принять во внимание, что подобным образом, если излучение сталкивается с наружной поверхностью наконечника в боковом направлении, структура поверхности улучшает рассеяние излучения, которое, в свою очередь, повышает величину излучения, переданного по оптическому волокну. Это полезно в детектировании флуоресценции или подобном.
Размер и форма структур поверхности имеет воздействие на величину рассеяния и, отсюда, количество излучения, испускаемого вбок из наконечника волокна. Изменения в характере излучения, испускаемого из наконечника волокна, влияют на степень, до которой эта энергия вызывает одно или более из следующих действий:
- получение кавитации, фотоакустические эффекты и ударные волны во флюидах, в которых помещен наконечник волокна;
- абляцию твердых тканей, таких как кость и зуб;
- уничтожение бактерий фототермическими действиями;
- уничтожение бактерий фотодинамическими действиями;
- уменьшение аккумуляции тепла;
- генерирование фотоакустических эффектов;
- улучшение соотношения сигнал-шум;
- уменьшение расхода энергии устройством.
Структура поверхности подобным образом влияет на способность наконечника волокна получать излучение для диагностических целей. Размер структур поверхности может регулироваться путем установления параметров, относящихся к процессам огрубления и травления. Параметры, которые могут быть изменены в процессе абразивной обработки, включают время абразивного действия, используемые материалы абразивной обработки, а также скорость прижимания материалов абразивной обработки. Указанные выше параметры травления, которые могут быть установлены, включают время травления, способ травления, температуру травителя, а также концентрацию и химический состав используемого травителя. Параметры будут также выбирать в соответствии с материалом, образующим оптическое волокно. Соответственно, путем соответствующего регулирования процессов огрубления и травления это позволяет регулировать пропорцию излучения, которое испускается в боковом, как противоположном осевому, направлении.
Конкретный пример способа формирования эмитирующего (испускающего) вбок наконечника оптического волокна теперь будет описан со ссылкой на фиг.5.
На этапе 500 какую-либо оболочку 220 удаляют с сердцевины 210, по меньшей мере, для концевой части 211 перед тем, как травят концевую часть 211, чтобы обеспечить коническую форму на этапе 510. Пример процесса травления показан на фиг.6А-6С.
В этом примере конец сердцевины 210 оптического волокна погружают в подходящий травильный раствор 610, такой как фтористоводородная кислота (HF) или другие материалы, указанные выше. В одном примере, если используют чистую HF, травления достигают путем обеспечения кислоты под слоем органического растворителя 620, чтобы уменьшить количество паров HF, выпускаемых в окружающую среду. Травильный раствор увлажняет погруженную поверхность волокна и образует начальную высоту мениска из-за поверхностного натяжения на границе раздела между оптическим волокном 210 и травителем. Поскольку протекает травление, направленная снизу вверх сила выталкивания,получающаяся от поверхностного натяжения, уменьшается из-за уменьшения радиуса волокна в контакте с травильным раствором, как показано на фиг.6В. Следовательно, высота мениска постепенно уменьшается до тех пор, пока часть волокна ниже слоя растворителя полностью не вытравится, таким образом, образуя имеющую определенную форму концевую часть, как показано позицией 211 на фиг.6С.
Конец волокна можно также травить путем помещения его в пары HF и вращая его, чтобы получить желательную форму поверхности. Эта вариация способа травления использует пар, полученный над ванной из HF при отрицательном давлении вентиляционной системы.
После того как закончили травление, травленое волокно затем удаляют из травителя и могут обработать до нейтрализации какого-нибудь остающегося травителя, например, промыванием последовательно растворами гидроксида калия или гидроксида натрия, растворами бикарбоната натрия или подобным, затем водой и, в конце концов, ацетоном, этанолом, изопропанолом, или используя летучие растворители, чтобы оставить сухую поверхность.
Двумя переменными, на которые могут оказывать воздействие изменения в процессе травления, являются скорость травления и форма волокна. На скорость травления может влиять температура травителя раствора, концентрация травителя, материально-вещественный состав травителя или способ травления. На форму волокна может влиять диаметр волокна, плотность травильных растворов, концентрация травителя и температура травителя.
В одном примере травление осуществляют, используя 50% фтористоводородную кислоту (HF) при 25°C в течение 45-180 минут, чтобы таким образом получить желательную коническую форму.
На этапе 520 поверхность конца огрубляют, используя высокоскоростной поток частиц, как будет теперь описано по отношению к фиг.7.
В этом примере используют подачу газа 700, имеющую сопло 701, чтобы генерировать газовый поток. Может быть использован любой подходящий газ, такой как воздух, и в одном примере воздушный поток генерируют, используя сжатый воздух при давлении приблизительно 2,8 бар. Однако могут быть использованы альтернативные газы, такие как азот, диоксид углерода, или другие негорючие газы. Зернистые материалы могут быть инжектированы в газовый поток из источника частиц 703, так что зернистый материал вовлекается в газовый поток, чтобы образовать высокоскоростной поток частиц 702. Хотя могут быть использованы любые подходящие частицы, в одном примере частицами являются частицы оксида алюминия. Однако альтернативно могут быть использованы частицы одного или более из кубического нитрида бора; карбида кремния; диоксида кремния; оксида циркония; диоксида циркония; карборунда; корунда и оксида магния.
Оптическое волокно так позиционируют, что концевая часть 211 совпадает с высокоскоростным потоком частиц 702. Оптическое волокно 210 может быть удержано в положении, используя фиксатор, такой как зажим 710. В одном примере зажим включает в себя привод, чтобы позволить вращение оптического волокна 210 вокруг оси оптического волокна, как показано стрелкой 730.
В одном примере контроллер 720 обеспечивают связанным с подачей газа 700 источником частиц 703 и зажимом 710. Контроллер 720 может быть контроллером любой формы, такой как система обработки данных, FPGA (Field Programmable Gate Array - программируемая пользователем вентильная матрица), или подобное, что позволяет регулировать работу системы. Альтернативно, систему можно регулировать вручную.
Используемое после позиционирования оптическое волокно 210 вращают и запускают высокоскоростной поток частиц 702. Это типично осуществляют до тех пор, пока требуется проводить желательное огрубление структуры, и в одном примере осуществляют за 4 интервала по 0,5 сек каждый, хотя оптическое волокно вращают на 180 градусов.
После огрубления поверхности на этапе 530 огрубленный конец можно травить второй раз. Опять может быть использован любой подходящий травитель, такой как хлористоводородная кислота, фтористоводородная кислота или подобное. В этом примере вся концевая часть остается погруженной, таким образом гарантируя равномерное травление по всей поверхности. В одном примере травление осуществляют в течение более короткого периода времени, такого как 10-15 минут, в зависимости от факторов, таких как температура процесса травления, состав оптического волокна. К тому же, травление типично осуществляют, используя 50%-ную HF при 25 градусах Цельсия.
После травления любой остающийся травитель типично нейтрализуют, допуская использование получающегося волокна.
Травление может быть осуществлено на волокнах, которым не придано определенной формы, и это может еще привести к подобной микроскопической "сотовой" структуре поверхности, обеспечивающей улучшенные боковые эмиссии, за исключением того, что наконечники волокна имеют скорее форму с параллельными сторонами, чем коническое конструктивное исполнение.
Получающийся наконечник оптического волокна может быть использован для освещения внутренности полостей, таких как зубные полости и корневые каналы. Это может быть использовано по ряду причин, таких как проведение абляции или фотоактивированной дезинфекции, как будет описано более подробно ниже.
Теперь будет описан пример использования огрубления и процесса травления, чтобы продемонстрировать эффективность этого для обеспечения испускания излучения вбок из наконечника оптического волокна.
Лазеры и оптические волокна
Для этих примеров использованные с целью испытания оптические волокна и соответствующие лазеры включают http://www.multitran.ru/c/m.exe?t=4177285_2_1 Nd:YAG (dLase 300, American Dental Laser, Fremont, CA) при 1,5 мДж/импульс, 20 Гц (3,0 Вт панель) с кварцевым стекловолокном 320 мкм (WF 320 MDF, BioLitec,Winzelaer, Германия), эрбиевый лазер на иттрий-алюминиевом гранате Er:YAG (KEY3, Model 1243, KaVo, Biberach, Германия), используемый при 200 мДж/импульс и 20 Гц (4 Вт), с эндодонтическим волокном 400 мкм, и лазер Er,Cr:YSGG (Waterlase MD, Biolase, Irvine, CA), используемый с установленным параметром на панели 1,25 Вт и 20 Гц (62,5 мДж/импульс), с поставкой в эндодонтическое волокно (MZ4) 400 мкм.
Модификации волокон
Всего использовали 75 волокон (25 для каждого лазера). Для каждой группы лазеров эти волокна дополнительно разделили на 5 групп по 5 волокон каждая.
Группой 1 были немодифицированные волокна, такие как представленные производителем, чтобы служить в качестве контрольных.
2
4
Волокна группы 2 травили 50%-ной фтористоводородной кислотой, используя методику травления, описанную выше, для придания определенной формы оптическому волокну. Слой силиконового масла помещали над HF, чтобы защитить волоконные установки от паров HF. Травление проводили при 25 градусах Цельсия и для продолжительностей, изменяющихся от 45 до 180 мин. Соответствующее время травления определяли из предварительного исследования, в котором прогресс травления проверяли с 5-минутными интервалами, используя микроскоп при конечном увеличении 30Х. Выбранной конечной точкой был заостренный конический наконечник. Как только травление заканчивали, полимерное покрытие удаляли или механической зачисткой, или растворением его в горячей концентрированной HSO.
Волокна группы 3 травили, используя такой же метод, но имели полиимидную пленку 2 мм, удаленную перед началом травления.
Волокна группы 4 имели длину удаленного полимерного покрытия 5 мм, и незащищенное волокно затем обрабатывали пучком частиц оксида алюминия 50 мкм марки "для использования в медицине" (Microetcher ERC, Danville Engineering, San Ramon, CA), используя сжатый воздух при давлении 2,85 бар. Пучок частиц использовали за 4 импульса по 0,5 сек каждый при вращении наконечника волокна на 180 градусов во время абразивной обработки, чтобы достигнуть соответствующей абразивной обработки.
Группу 5 модифицировали по 3-х этапному протоколу с помощью трубки для травления, проводя травление как в группах 2 и 3, чтобы получить коническую конфигурацию, затем абразивно обрабатывая наконечник пучком частиц оксида алюминия, как в группе 4, и, в конце концов, проведя травление конца волокна еще раз. Второе время травления определяли из пилотного исследования, и оно составляло 15 минут и для волокон WF 320 MDF, и для волокон Biolase, и 10 мин для волокон KEY 3.
Прежде чем быть далее исследованными, терминал 20 мм всех травленых волокон в группах 2, 3 и 5 погружали в насыщенный раствор бикарбоната натрия, чтобы нейтрализовать любые остатки HF.
Элементный анализ трех типов волокон выявил различия в составе волокон Biolitec и Biolase из кварцевого стекла, легированного фторидом, и волокна KEY3 из кварцевого волокна, легированного германием. Не было изменения в составе волокна, если образцы сравнивали до и после травления с помощью HF, примеры составов описанных выше трех различных оптических волокон показаны на фиг.8А-8С.
Время травления, требуемое для образцов группы 2, изменяли согласно составу волокна в зависимости от типа волокна, причем с легированными германием волокнами из KEY3 лазера требуется время (среднее значение ±SD) 91 мин (±9) против 161 мин (±6) и 174 мин (±7) для волокон Biolitec и Biolase (легированных фторидом), соответственно. Разница во временных периодах травления между типами волокон была значительной (Р<0,05).
В модифицированных травлением в трубке для травления образцах (группа 3) удаление полиимидного покрытия до травления уменьшилось на одну треть по времени, требуемого для получения конического конца, для всех типов волокон. Времена травления с волокнами KEY3, Biolitec и Biolase составляли 59 (±6), 106 (+7) и 130 (+7) мин, соответственно. Еще раз, была значительная разница согласно типу волокна (Р<0,001). Уменьшение во времени травления между травлением в трубке для травления и модифицированным травлением в трубке для травления для согласованных образцов в группах 2 и 3 было значительным (Р<0,0002).
Получающаяся топография наконечника
Наконечники волокон были исследованы с использованием сканирующего электронного микроскопа JEOL 6400 при 15 кВ после напыления платины. Для элементного анализа волокна были покрыты углеродом с помощью распыления. Изображения снимали при конечном увеличении 500Х, используя JEOL 6460 SEM для анализа методом дифракции обратных электронов (EBSD) при 30 кВ.
Получающиеся изображения от сканирующего электронного микроскопа для конического наконечника, огрубленного наконечника и сотовой структуры поверхности показаны на фиг.3A-3D, как описано выше.
Простое травление с помощью HF, использующее методику травления в трубке для травления (группа 2) или модифицированную методику травления в трубке для травления (группа 3), оба, дали похожие концы волокон конусообразной формы с типичным конечным диаметром приблизительно 33 микрона, показанные на фиг.3А. Волокна группы 4 обрабатывали пучком частиц, устанавливающих микроскопически огрубленную поверхность, как показано на фиг.3В. Волокна в группе 5, обработанные травлением, абразивной обработкой и дополнительным травлением, имели многогранную поверхность с сотообразным внешним видом, как показано на фиг.3С и 3D.
Измерения эмиссии (испускания)
Измеряли выход лазерной энергии из различных волокон в фиксированных точках в прямом направлении (10 мм впереди наконечника) и вбок (2 мм из боковой части наконечника) с помощью измерителя мощности (Nova II, Ophir Optronics, North Andover, MA). Критерий Стьюдента (Т-тесты) использовали для сравнения выходных мощностей в прямом и боковых направлениях между обнаженными (группа 1) и модифицированными наконечниками.
Модифицированные волокна показали уменьшенную в прямом направлении, но увеличенную боковую эмиссии, при сравнении с немодифицированными волокнами. ANOVA анализ (analysis of variance - ) с тестом Post Turkey-Kramer multiple comparisons показали статистически значимые различия между немодифицированным контрольным волокном и четырьмя типами модификаций, используемых для каждого типа волоконного материала.
+
В прямом направлении наконечники с конусообразной формой, абразивно обработанные наконечники и сотовые наконечники показали уменьшенные эмиссии при сравнении с простыми концами волокон. Различия между двумя коническими волокнами (группы 2 и 3) не были существенными. Средние уменьшения прямой эмиссии для групп 2, 3, 4 и 5 составляли 49±1% (среднее значениеSD), 47±7%, 23±11 и 68±4%, соответственно, как показано на фиг.9А. Модификации волокон дали существенные усиления боковых эмиссий, показав с группами 2, 3, 4 и 5 увеличения 464±73%, 456±91%, 218±59% и 472±133%, соответственно, как показано на фиг.9В.
Угол дивергенции
Исследование распределения видимого красного света проводили с использованием коаксиальных эмиссий He-Ne лазера (632,8 нм) (в системе dLase 300 Nd:YAG) или InGaAsP диодного лазера (635 нм) (в эрбиевых системах). Распределение видимого красного света фотографировали на координатной сетке, используя стереомикроскоп, оборудованный цифровой камерой, удерживая волокно в прямом контакте с сеткой. Углы дивергенции (расхождения) измеряли с помощью программного обеспечения Image-J image analysis (NIH, Bethesda, MD, USA).
Примеры получающихся эмиссий показаны на фиг.10A-10D.
В примере фиг.10А показано немодифицированное волокно, причем излучение испускается из наконечника с расхождением 15 градусов, как показано позицией 1000. Волокна группы 2 и 3, имеющие конусообразный наконечник, показывают большую степень расхождения, но с большей частью испусканий в прямом направлении, как показано позицией 1010 на фиг.10В. На фиг.10С огрубленное оптическое волокно демонстрирует широкую степень дивергенции, но с небольшими боковыми испусканиями, позиция 1020, хотя на фиг.10D волокна группы 5, имеющие сотовую структуру поверхности, демонстрируют расхождение 360 градусов с хорошими боковыми испусканиями, показывая профиль испускания по длине волокна и в прямом направлении, позиция 1030.
Углы расхождения увеличились от 15 градусов в немодифицированных волокнах (группа 1) вплоть до 360 градусов в комбинации с модификацией (группа 5). Модификация поверхности абразивной обработкой (группа 4) дала меньшее расхождение прямо из наконечника, чем любая из модификаций травления. Примеры измерений показаны в таблице.
Профиль испускания видимого красного коаксиального прицельного луча показал ясно улучшенное боковое испускание модифицированных наконечников волокна.
Профиль испускания инфракрасной энергии лазера из модифицированных наконечников дополнительно оценили, используя термочувствительную бумагу. В этом примере использовали термочувствительную белую бумагу, чтобы зарегистрировать профили испускания наконечников различных волокон с наконечником, который держали параллельно и на 2 мм выше поверхности термочувствительной бумаги. Чтобы увеличить абсорбцию для Nd:YAG лазера, нечувствительную сторону термобумаги зачерняли черными чернилами для принтера. Никакого усилителя не было необходимо с эрбиевыми длинами волн.
Для конического оптического волокна фиг.11А, полученного с помощью способов травления для групп 2 и 3, это обеспечивает в результате веерообразную эмиссию, которая была направлена из окончания волокна, как показано на фиг.11В. Напротив, для группы 5 огрубленное (обработанное шлифовкой) и травленое волокно, показанное на фиг.11С, демонстрирует широкое боковое испускание по длине модифицированного наконечника, как показано на фиг.11D. С инфракрасными лазерными испусканиями угол расхождения, оцененный из отпечатка на термобумаге (с отстоящим от бумаги на 2 мм волокном), был меньше, чем видный с помощью трассировки луча видимых красных испусканий прицельного луча (где волокно было в прямом контакте с сеткой).
Результаты этого изучения показали, что модификации существующих оптических волокон, использующие относительно простые химические и физические способы, могут улучшить боковое испускание как видимой, так и инфракрасной лазерной энергии. Хотя обычные волокна давали небольшое расхождение, травление концов волокон с помощью фтористоводородной кислоты, чтобы создать конический наконечник (группы 2 и 3), повышало это расхождение на более чем 100 градусов во всех типах волокон, давая веерообразный пучок. Эти конические наконечники могли быть полезными для дезинфицирующих применений в корневых каналах зубов и в зубодесневых карманах, однако, чтобы получить однородный эффект, волокно должно было бы перемещаться (например, извлекаться в коронковом направлении, излучая когерентный свет) с постоянной скоростью.
Комбинация огрубления и абразивного действия обеспечивает нерегулярную поверхность и в одном примере обеспечивает "сотовую" топографию поверхности с множественными гранями и с превосходными боковыми испусканиями для видимых, ближних инфракрасных и средних инфракрасных длин волн. Такие волокна были бы полезны для абляционных применений, где размещение в корневом канале достигнет относительного равномерного эффекта по длине модифицированной зоны, так как постепенный переход в размере наконечника волокна не является несходным с постепенным переходом в размере корневого канала. Однородная эмиссия (испускание) видимой красной лазерной энергии делает сотовую модификацию идеально подходящей для использования в фотодинамической дезинфекции, где используют красный свет с длиной волны 635 или 670 нм для возбуждения красителей толуидинового синего или метиленового голубого, чтобы достигнуть дезинфицирующего действия внутри корневого канала.
Комбинация огрубления и травления обеспечивает профиль увеличенной боковой эмиссии (испускания) с поверхностью простой модификации абразивной обработкой. Поверхностная абразивная обработка только дает некоторые испускания с видимым красным лазерным светом, но не с ближними и средними инфракрасными длинами волн. Не являются неожиданными данные длины волн используемого света и дифракция его на границах воздух-волокно модифицированных концов волокон.
Вышеуказанные результаты, поэтому, указывают, что сотовая структура поверхности может обеспечить поразительные улучшения боковых испусканий из волокон и, в частности, обеспечить более эффективные боковые испускания, чем нормальная коническая конфигурация.
Использование оптической системы, по меньшей мере, для одного из генерирования или детектирования излучения и оптического волокна, связанного с оптической системой на первом конце, второй конец оптического волокна, включающий в себя наконечник, имеющий граненую структуру поверхности, позволяет излучению испускаться или приниматься посредством наконечника, по меньшей мере, частично в направлении, перпендикулярном к оси оптического волокна. Это может быть применено во взаимодействии с частями субъекта, таким образом значительно содействуя в достижении равномерного облучения частей субъекта или детектируя флуоресценцию по всей части субъекта.
Это позволяет использовать оптические волокна в лечении костной и мягкой тканей зубов, включая корневые каналы и зубодесневые карманы, а также опухолей тканей или подобного, а также для определения присутствия бактерий, опухолей или подобного посредством создания флуоресценции или подобного.
Профиль испускания сотовых концов волокон является особенным преимуществом для абляционных применений в твердых и мягких тканях. Из-за сильных боковых испусканий такие наконечники были бы полезны для обеих эндодонтических процедур (таких как абляция зубного налета, слоя мазка и дентина от стенок корневых каналов) и периодонтальных применений, таких как дезинфекция зубодесневых карманов вокруг зубов или внутричелюстных зубных имплантатов. Так как лазерная энергия испускается вся по длине конца волокна, то может быть достигнуто более равномерное облучение полости по сравнению с обычным способом, в котором конец волокна вращают и извлекают.
Дополнительной проблемой с плоскими концами волокон является их неотъемлемый риск образования уступа, деструкции или прободения стенок искривленных корневых каналов, проблему преодолевают с помощью испускающих вбок концов волокон. В этом смысле конические, абразивно обработанные или сотовые модифицированные концы волокон были бы более безопасными для применения, чем обычные обнаженные наконечники.
К тому же, оптические волокна могут быть также использованы, например, для фотодинамической дезинфекции видимой красной, ближней инфракрасной, зеленой или голубой длинами волн.
Теперь будет описан пример устройства, пригодного для идентификации и обработки бактериальных инфекций в полостях, таких как пульповые камеры и/или корневые каналы зубов, со ссылкой на фиг.12.
В одном примере устройство 10 представляет собой портативное или переносное устройство, включающее в себя первый источник света в виде первого лазера или светоизлучающего диода 12, оптически связанного с оптическим переключателем 14 через ряд линзовых элементов или градуированным по показателю преломления конечным волокном. Устройство 10 также содержит второй источник света в виде второго лазера или светоизлучающего диода 16, используемого с целями фотодинамической, фотоакустической или фототермической дезинфекции, который оптически связан с оптическим переключателем 14. Альтернативные примеры могут также содержать один или более дополнительных источников света в виде лазеров или светоизлучающих диодов 18, используемых для дезинфекции, как описано дополнительно в настоящем описании.
Устройство 10 содержит оптические элементы в виде соответствующего дихроичного зеркала 20 и линз 22, 24. Оптическое волокно 26 оптически связывает линзы 22 с зондом 28, имеющим оптический элемент в виде гибкого наконечника 30. Оптическое волокно 32 оптически связывает линзы 24 с блоком 34 обработки данных, хотя могли быть использованы альтернативные связи.
Блок 34 обработки данных может быть обеспечен для помощи в осуществлении обнаружения бактерий. В одном примере блок 34 обработки данных связывают с оптическим элементом для получения вызванного светом флуоресцентного излучения и измерения уровня бактерий в полости, используя полученное излучение. Блок 34 обработки данных может также быть приспособлен для регулирования, по меньшей мере, одного из первого и второго источников излучения и оптического переключателя. Блок 34 обработки данных может быть в любом пригодном виде, таком как, соответственно, компьютерная программная система, заказное оборудование или подобное.
В одном примере блок 34 обработки данных включает в себя длиннополосовой фильтр, который видимую красную длину волны возбуждения удаляет из ближнего инфракрасного флуоресцентного сигнала. Блок 34 обработки данных может быть связан с дисплеем 35, который представляет видимую индикацию присутствия бактерий. Может также производиться звук слышимого тона.
Первый лазер или светоизлучающий диод 12 испускает лазерное излучение 36 первой длины волны (650-670 нм) для измерения уровня бактерий в пульповых камерах и/или корневых каналах зубов, используя вызываемую светом флуоресценцию. В одном примере первым лазером 12 является диодный лазер 1,0 мВт, испускающий лазерное излучение первой длины волны 655 нм, которое имеет преимущество обеспечения защиты зрения за счет мигательного рефлекса человека. Оптический переключатель 14 устанавливают для того, чтобы разрешать через него передачу лазерного излучения 36 от первого лазера 12. Лазерное излучение 36 отражается дихроичным зеркалом 20 на линзы 22, где оно фокусируется в конец 38 оптического волокна 26. Лазерное излучение 36 передается через зонд 28 и наконечник 30 в местоположение исследуемых пульповых камер и/или корневых каналов.
Испускаемое излучение вызывает флуоресценцию в микроорганизмах, присутствующих в пульповых камерах и/или корневых каналах зубов, которая пропорциональна степени присутствующей инфекции. Лазерная флуоресценция собирается гибким наконечником оптического волокна и передается линзам 22 посредством зонда 28 и оптического волокна 26. Линзы 22 коллимируют флуоресцентное излучение, которое передается через дихроичное зеркало 20 к линзам 24, где оно фокусируется в конец 40 оптического волокна 32. Флуоресцентное излучение направляется в блок 34 обработки данных, где оно обрабатывается с использованием длиннополосового фильтра, для удаления длины волны возбуждения и для определения индикатора, указывающего уровень бактериальной инфекции, которая может выводиться на дисплей 35. В одном примере могут быть обеспечены два индикатора, включая первый индикатор, который обеспечивает величину в масштабе реального времени, который указывает уровень бактериальной инфекции в указанной позиции, в которую направлена активная область наконечника 30 оптического волокна, и второй индикатор, который является пиковой величиной, указывающей максимальный уровень бактериальной инфекции в исследуемом месте.
Теперь, когда пульповые камеры и/или корневые каналы, имеющие бактериальную инфекцию, и уровни инфекции в камерах/каналах определили, бактериальную инфекцию обрабатывают, используя второй лазер 16, который испускает лазерное излучение 42 второй длины волны.
Оптический переключатель 14 устанавливают, чтобы через него разрешать передачу лазерного излучения 42 от второго лазера 16. Лазерное излучение 42 отражается дихроичным зеркалом 20 и фокусируется линзами 22 в оптическое волокно 26. Лазерное излучение 42 передается через зонд 28 и наконечник 30 в местоположение обрабатываемых пульповых камер и/или корневых каналов.
В одном примере второй источник света 16 представляет собой высокомощный (100 мВт) InGaAsP диодный лазер с длиной волны между 630 и 670 нм. Для фотодинамической дезинфекции (PAD) антибактериальный раствор, содержащий фотосенсибилизатор по выбору, вводят в обрабатываемые пульповые камеры и/или корневые каналы после этапа идентификации бактерий и перед этапом обработки. Антибактериальный раствор активируют лазерным излучением 42, чтобы убить присутствующие бактерии способом, обычно известным как фотодинамическая дезинфекция (PAD). Пригодные фотосенсибилизаторы, которые могут быть активированы видимым красным светом, которые хорошо известны специалистам в области техники, содержат метиленовый голубой, толуидиновый синий, другие производные фенотиазина, дисульфированный фталоцианин алюминия, хлоргидрат гемопорфирина, сложный эфир гемопорфирина, краситель водорастворимый серо-голубой с торговой маркой arianor steel blue, кристаллический фиолетовый, лазурные хлориды, триптан (триптофан) голубой, лазуритовые голубые красители, лазуритовые соединения, а также хлорины.
В одном частном примере используют фотосенсибилизатор в водной среде предпочтительно с концентрацией между 50 и 250 микрограмм/мл и наиболее предпочтительно со 150 микрограмм/мл. Вдобавок к фотосенсибилизирующему красителю другие компоненты водной среды могут содержать поверхностно-активные вещества, буферы, соли для регулирования концентрации раствора, антиоксиданты, консерванты и регулирующие вязкость реагенты (такие как полиэтиленгликоль и подобное). Предпочтительно, водная среда будет при физиологическом pH и будет изотонической.
В альтернативных примерах обработка бактериальной инфекции может быть осуществлена с использованием фототермической методики вместо использования вышеупомянутой методики фотодинамической дезинфекции. Второй источник света 16 при использовании для фототермической дезинфекции содержит один из следующих лазеров: аргоновый ионный лазер (488 или 514,5 нм), лазер КТР/Nd:YAG с удвоенной частотой (532 нм), диодные лазеры GaAs или AlGaAs (810, 830, 890 и 910 нм), Ho:YAG лазер (2100 нм), Er:YSGG и ErCr:YSGG лазеры (2780 и 2790 нм) или Er:YAG лазер (2940 нм).
Альтернативно, такие фототермические методики могут использовать третий источник 16 света, который испускает импульсное лазерное излучение третьей длины волны при энергии, достаточно высокой, чтобы вызвать микроскопическую абляцию стенок дентина корневого канала, а также генерацию фотоакустических эффектов, таких как кавитация и ударные волны вдобавок к дезинфицирующему действию. Например, третий источник 16 света может быть Ho:YAG лазером (2100 нм); Er:YSGG и ErCr:YSGG лазером (2780 и 2790 нм) или Er:YAG лазером (2940 нм). Этот третий источник света управлялся бы в импульсном режиме свободной генерации с длительностью импульса между 50 и 400 микросекундами и энергией импульса между 40 и 1000 мДж на импульс. Доставка лазерного излучения из третьего источника 16 света может сопровождаться коаксиальным распылением воды, чтобы улучшить фототермический абляционный или кавитационный процесс резки от этих инфракрасных длин волн и уменьшить вредные термические эффекты. Дополнительной вариацией является применение диодного лазера (810, 830, 910, 940, 980 нм) или Nd:YAG лазера (1064 нм), в которых генерирование антибактериальных фототермических действий улучшается обеспечением того, что флюидная среда, использованная в корневом канале, содержит воду, к которой добавили один или более усиливающих реагентов. Пригодные реагенты включают в себя пероксид водорода и окрашенные красители, такие как толуидиновый синий, метиленовый голубой, а также производные фенотиазина.
Один раз обработали бактериальную инфекцию в пульповой камере/корневом канале, остающийся уровень бактерий, если это имеет место, в пульповой камере/корневом канале повторно измеряют, используя первый лазер или светоизлучающий диод 12 и вышеупомянутую технику вызванной светом флуоресценции. Это гарантирует, что обработали всю бактериальную инфекцию, и в случае, если некоторое количество бактерий остается в пульповой камере/корневом канале, то обработка может быть немедленно повторена, используя методику фотоактивированной дезинфекции или одну из фототермических методик.
Ссылаясь на фиг.13, альтернативный пример устройства 10 содержит источник 12 света в виде диодного лазера для измерения уровня бактерий в пульповой камере/корневом канале, используя лазерную флуоресценцию, и для дезинфекции бактерий, где существует уровень бактерий. Устройство 10 содержит дихроичное зеркало 20, линзы 22, 24, оптическое волокно 26, оптически связывающее линзы 22 с зондом 28, имеющее гибкий наконечник 30, и блок 34 обработки данных, связанный с дисплеем 35, как показано в первом примере. В этом примере выходной сигнал из линз 24 получается непосредственно блоком 34 обработки данных. Обходятся без оптического переключателя 14, поскольку используется только один источник 12 света, работающий, по меньшей мере, в двух режимах мощности, что в значительной степени упрощает оптическую конструкцию и, следовательно, размер устройства.
Диодный лазер 12 испускает излучение с длиной волны 655 нм и работает в режиме с низкой мощностью, чтобы измерять уровень бактерий в пульповой камере/корневом канале, используя лазерную флуоресценцию. Диодный лазер 12 затем работает в режиме с высокой мощностью, чтобы дезинфицировать пульповую камеру/корневой канал, используя метод фотодинамической обработки. Как с предыдущим примером, уровень бактерий в пульповой камере/корневом канале повторно измеряют, используя диодный лазер в режиме с низкой мощностью после дезинфекции бактерий, чтобы обеспечить обратную связь для эффективности обработки.
Способ обработки бактерий в пульповых камерах/корневых каналах зубов теперь будет описан со ссылкой на технологическую схему на фиг.14. Способ включает в себя на этапе 1400 измерение уровня бактерий в пульповой камере/корневом канале, используя вышеупомянутое устройство 10 и вышеупомянутую технику вызванной светом флуоресценции.
Там, где существует уровень бактерий, способ включает в себя на этапе 1410 обрабатывание бактерий в пульповой камере/корневом канале, используя одну из вышеупомянутых методик обработки. Это может включать в себя вышеупомянутую методику фотоактивированной дезинфекции или фототермическую методику. Там, где используют технику фотодинамической дезинфекции, вводят антибактериальный раствор в пульповую камеру/корневой канал перед облучением пульповой камеры/корневого канала лазерным излучением из лазера обработки.
Способ включает в себя на этапе 1420 повторное измерение уровня бактерий, если они есть, в пульповой камере/корневом канале, используя вышеупомянутую технику вызванной светом флуоресценции с использованием первого лазера или светоизлучающего диода 12. Ссылаясь на этап 1430, если бактериальная инфекция остается в пульповой камере/корневом канале, то обработку из этапа 1410 повторяют. Если никаких бактерий не остается, то обработку прекращают, и может иметь место пломбирование пульповой камеры/корневого канала.
Будет понятно, что может быть использован ряд различных наконечников оптического волокна.
В одном примере оптический элемент в наконечнике может содержать кварцевое стекло или, там, где используют лазеры со средним инфракрасным излучением для дезинфекции, пригодный просветный материал и для видимого красного, и для среднего инфракрасного света. Учитывая, что кварцевое стекло частично уменьшает свет со средними инфракрасными длинами волн, пригодными материалами являются кварц, оксид галлия, оксид германия, фторид алюмината циркония, а также гибридные волокна оксида германия с кремнеоксидными волокнами с низким количеством концевых гидроксильных групп. Чтобы обеспечить доступ к корневым каналам, диаметр волокна составляет предпочтительно между 150 и 600 микрометрами и наиболее предпочтительно 200 микрометров.
Волокно может иметь скол конца (такой, что лицевая сторона находится под прямым углом к продольной оси волокна) и, как таковое, может функционировать для флуоресцентного обнаружения и дезинфекции. Предпочтительно, чтобы улучшить свойства испускания и собирания, апикальный конец (типично 1-5 мм) модифицируют таким образом, чтобы используемый красный свет для инициирования флуоресценции испускался частично из боковой части волокна. Модификации для конца волокна, которые достигают этой цели, включают в себя решетки Брэгга, абразивную обработку частиц оксида алюминия, а также обработки травлением.
В одном частном примере наконечник оптического волокна имеет сотовую структуру поверхности, созданную с использованием вышеописанных методик. Будет понятно, что это является особенно выгодным, поскольку это увеличивает до предела боковые эмиссии излучения из наконечника оптического волокна, таким образом увеличивая до предела подвергание бактерий воздействию излучения. Это, в свою очередь, увеличивает до предела бактериальное обнаружение и обработку, таким образом обеспечивая еще более улучшенный способ бактериальной обработки.
Enterococcus faecalis
Соответственно, описанное выше устройство 10 может, поэтому, и идентифицировать местоположения и уровни бактериальной инфекции в пульповых камерах/корневых каналах зубов, и обрабатывать бактериальную инфекцию в одном устройстве. Портативное и переносное устройство также обеспечивает пользователя альтернативными методиками для обрабатывания бактериальной инфекции. Высокое содержание бактериальной инфекции может быть обработано в одну обработку, особенно более устойчивые грамположительные бактерии, такие как . Точная идентификация и эффективная обработка бактериальных инфекций в зубах единственным устройством дает возможность быстрых, полных в одном месте обработок, обеспечиваемых в пределах проведения стоматологического лечения.
Будет понятно, что в некоторых применениях требуется только подвергнуть часть субъекта воздействию излучения единственной частоты без выполняемого обнаружения. В этом случае может быть обеспечено более прямое передовое устройство, как показано, например, на фиг.15А и 15В.
В этом примере устройство включает в себя источник 1500 излучения для испускания излучения 1510. Источник излучения связан с первым концом 1530 оптического волокна 1540 посредством оптического элемента 1520, такого как линзы. Оптическое волокно включает в себя второй конец 1550, который имеет наконечник 1560, имеющий модифицированную структуру поверхности, чтобы вызывать боковые испускания, как показано позицией 1570.
В дополнение к описанным выше стоматологическим применениям, будет понятно, что наконечники оптических волокон могут быть использованы в ряде различных применений, в которых желательна высокая степень боковой эмиссии (испускания). Таким образом, например, устройство могло быть использовано для обрабатывания опухолей посредством использования фотодинамической терапии (PDT) или интерстициальной лазерной термотерапии.
В этом примере наконечнику типично не придана определенная коническая форма, а придана цилиндрическая с закругленным концом. Это исключает присутствие острой точки у наконечника, который мог бы повредить ткань, так как наконечник оптического волокна передвигают при местоположении внутри субъекта.
В применениях для терапии опухолей наконечник оптического волокна 1560 вставляют в разрез в опухоли, используя подходящий микроманипулятор. При вставлении источник 1500 излучения активируют, позволяя внутренней части опухоли облучаться, как известно в области техники. В отличие от методик предшествующего уровня техники, тем не менее, высокий уровень боковых эмиссий может гарантировать более равномерное облучение и, следовательно, улучшенное лечение опухоли.
Будет также понятно, что обнаружение опухолей может также осуществляться способом, подобным бактериальному обнаружению в стоматологическом применении, описанном выше. В этом случае опухоль может быть обработана подходящим флуоресцирующим красителем, давая возможность обнаружить флуоресценцию, используя пригодную систему с датчиками, подобную системе, которая описана выше относительно фиг.12 и 13.
В некоторых ситуациях наконечник оптического волокна может не быть вставляемым в часть тела, которая требует лечения. В этом случае наконечник оптического волокна может быть так обработан, что только часть наконечника имеет сотовую структуру поверхности. В одном примере этого можно достигнуть, используя методику, описанную выше, но только абразивной обработкой одной стороны наконечника оптического волокна. В этом примере, несмотря на то, что могут травить весь наконечник путем только абразивной обработки одной стороны наконечника, только абразивно обработанная сторона будет иметь модифицированную структуру поверхности. Следовательно, одна сторона наконечника волокна будет иметь улучшенный профиль бокового испускания, позволяя этой стороне наконечника быть позиционированной напротив облучаемой части тела.
Вдобавок к применениям к оптическим волокнам, методики могут быть также использованы, чтобы модифицировать структуру поверхности материалов типа стекла для других применений. Это может включать в себя любую ситуацию, в которой желательно переделать оптические свойства поверхности и, в частности, модифицировать отражательные и передаточные свойства.
Теперь будет описан пример со ссылкой на фиг.16.
В этом примере тонкий лист материала 1600 имеет поверхность 1601, модифицированную огрублением поверхности материала и затем травлением огрубленной поверхности, так что материал имеет граненую структуру поверхности и в, одном примере, как сотовую структуру поверхности. Будет понятно, что параметры процедур огрубления и травления могут изменяться в зависимости от физических свойств материала.
В этом случае, если свет падает на противостоящую поверхность 1602 материала, как показано позицией 1610, свет будет проходить через тонкий лист и сталкиваться с поверхностью 1601. Сотовая структура рассеивает излучение, давая в результате эмиссию излучения, как показано вообще позицией 1620. Это уменьшает наличие общего внутреннего отражения, которое иначе вызвало бы отражаемое излучение от листа на позиции 1630. При уменьшении общего внутреннего отражения это увеличивает до предела величину излучения, проходящего через лист 1600, что особенно полезно в применениях, таких как фотоэлектрический элемент и нагревание солнцем воды.
Например, это могло быть использовано в фотоэлектрических солнечных панелях, которые типично включали бы в себя фотоэлектрический материал 1640, позиционированный смежным со стеклянным тонким листом 1600, таким образом защищая материал 1640. В этой компоновке солнечное излучение должно проходить через стеклянную панель 1600 для того, чтобы подвергнуть воздействию фотоэлектрический материал 1640. При уменьшении отражательной способности стеклянного тонкого листа 1600 это повышает экспонирование фотоэлектрического материала 1640 для заданного количества падающего солнечного света, таким образом повышая емкость солнечной панели, чтобы генерировать электричество.
Будет понятно, что дополнительно и/или альтернативно наружная поверхность 1602 тонкого стеклянного листа 1600 могла быть обработана, таким образом дополнительно изменив передаточные свойства стеклянной панели.
Описанные выше методики модификации поверхности могут быть применены к ряду материалов, имеющих подходящие свойства, таких как:
кварцевое стекло;
кварц;
кварцевое стекло, легированное оксидом свинца (10-60%);
сапфир;
поликристаллические галоидные волокна, такие как AgBrCl;
халькогенидные стекла, такие как As-S, As-Se, Ge-Ga-S, Ge-Ga-As-S, Ge-As-Se, Ge-Se-Te, As-Se-Te и Ge-As-Se-Te;
фторидные стекла, такие как фторцирконатные, фториндатные и фторгаллатные;
оксид галлия;
оксид галлия, легированный оксидом свинца и оксидом висмута;
оксид галлия, легированный тяжелыми катионами и анионами, как описано в патенте США 5796903;
оксид германия;
оксид германия, легированный оксидом свинца;
оксид германия, легированный оксидом цинка (5-15%) и оксидом калия (5-15%);
другие стекла с оксидами тяжелых металлов, таких как хлорид свинца, оксид теллура-оксид свинца и оксид теллура-оксид цинка.
Методики модификации поверхности преимущественно применяют к наконечникам оптических волокон, чтобы, таким образом, повысить боковые испускания излучения, но также можно применять к другим ситуациям, в которых желательно модифицировать оптические свойства материала.
Методики для обнаружения и обрабатывания бактерий могут быть применены к людям, а также к животным.
Специалистам в области техники будет понятно, что многочисленные вариации и модификации станут очевидными. Все такие вариации и модификации, которые станут очевидными специалистам в области техники, следует считать находящимися в пределах сущности и объема, которые широко описало представленное изобретение.