Lézerek a fogászatban - a feltalálástól a fizikai alapokig

A lézert Einstein a század elején megálmodta, az első berendezést Maiman a század közepén elkészítette, és a fogorvosok a század végén már mint nélkülözhetetlen eszközt használják.

Amikor 1917-ben Einstein rájött, hogy az anyagban külső energiaközlés hatására egy különleges fényreakció hozható létre – amit indukált sugáremissziónak nevezett –, valószínűleg nem tudhatta, hogy a relativitáselmélet felállítása mellett a második olyan felfedezését tette meg, amely alapjaiban változtat meg sok mindent a világban. Gondolatát néhány évtizeden át csak egy- egy időszakra vették elő a kutatók, majd ismét feledni látszott mindaddig, míg Maiman 1960-ban megépítette az első működő lézer berendezést, amely a rubin lézer volt. Azonnal felgyorsultak az események. A lézer a kutatóhelyek vizsgálatainak középpontjába került, és hamarosan kiderült: a lézer jelenség anyagok végeláthatatlan sorában létrehozható. Egyre több és tökéletesebb lézer berendezés született, így Polányi Tamás a Boston-i laboratóriumában széndioxid lézert épített sebészi célra, és Jakó Géza – elsőként a világon – hangszalagot operált vele. Mester Endre leírta a ma is világszenzációnak számító biostimulációs elméletét, Gábor Dénes egyedülálló felfedezése pedig a lézerek alkalmazása a holográfiában. A lézer alkalmazás nagy magyar úttörői igen sokat tettek ezen a szakterületen és világszerte elismertséget vívtak ki.

A fogászati alkalmazás az 1990-es években kezdett egyre szélesebb körben elterjedni, a különböző speciálisan fogászati berendezések egyre tökéletesebbek, az alkalmazási és műtéti technikák egyre kifinomultabbak, a lézer alkalmazás szakmai kérdései egyre elfogadottabbak lettek. A hagyományosan feudális gondolkodású orvostudományban a lézerek előrehaladása – a kezdeti megtorpanás, egyes vadhajtások lenyesése után – napjainkban már a „célegyenesben” van.


A lézerek fizikai alapjai

A lézer szó az angol Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation kifejezés rövidítéséből ered, amelynek jelentése magyarul: fényerősítés indukált sugáremisszió útján. A lézer jelenség megértéséhez a fény egyes fontos tulajdonságainak, valamint viselkedésének ismerete szükséges. A fénysugárzás elektromos és mágneses energiaáramlás. A fény közvetítéséhez, terjedéséhez, áramlásához közeget nem igényel. Az energiaáramlás jellemzője a sugárzás intenzitása.

A fény a hang és a vízhullámokhoz hasonlóan hullámjelenség. Az atomok alapállapota stabilis. Ha gerjesztett állapotba kerülnek, onnan a magasabb energiaszintről az alacsonyabbra történő elektronátugrással – melyet fotonkibocsátás kísér –, vagyis spontán emisszióval jutnak vissza az alapállapotba. A fényabszorpció révén pedig az anyag atomjai vagy molekulái alapállapotból gerjesztett állapotba kerülnek úgy, hogy külső foton befogása útján elektronja egy magasabb energiaszintre ugrik. Az ionizáció jelensége során az elektron a nyert energia révén kiszakad az atom kötelékéből. Indukált emisszió jelenségéről akkor beszélünk, ha egy gerjesztett állapotban levő atom egy kívülről érkező foton hatására, két azonos energiájú, fázisú, irányú foton kibocsátásával reagál. A hagyományos fényforrások fénykibocsátása spontán emisszióval zajlik (így a fény rendezetlen, inkoherens), míg az indukált fényemisszió során – amilyen a lézere is – a fényforrás fotonjai egy irányban haladnak (párhuzamos fénynyaláb), egyforma energiájúak (monokromatikus), azonos fázisban haladnak egymás mellett, illetve egymás után (koherens fénynyaláb). A lézer olyan különleges fényforrás, melyben „fény erősítés indukált sugáremisszió útján” játszódik le. A lézerek három alapvető részből állnak: lézer anyag, optikai rezonátor, energiaforrás. A lézer anyag halmazállapota lehet gáz, folyadék, vagy szilárd, mindig tartalmaz nagyszámú olyan atomot, iont vagy molekulát, amelynek energianívó rendszerében metastabil nívó is van, tehát a lézer aktív anyagban létrehozható a populációinverzió.

Az optikai rezonátor egy olyan optikai tér, melynek két végén tükör helyezkedik el, közöttük a lézer aktív anyag. A lézer fényt nagyfokú rendezettsége, szabályossága különbözteti meg alapvetően a hagyományos fényforrások fényétől. Monokromatikus, vagyis egyszínű, melynek oka egyrészt az, hogy az indukált emisszió azonos energiájú fotonokat eredményez, másrészt pedig, hogy az optikai rezonátor szigorúan olyan hullámhossznak kedvez, melyre teljesül a rezonanciafeltétel. Az ettől eltérő hullámhosszú hullámok kioltják egymást.

A lézer fény hullámhossza típusonként változó, vagyis egy lézer típuson belül csak egyféle hullámhossz fordul elő, illetve az egyes típusú lézerek egymástól elsősorban hullámhosszukban különböznek. Erősen kötegelt, a lézer fénynyaláb nagy fokban párhuzamos.

Enormis intenzitás érhető el. Szemben a hagyományos fényforrások minden irányba terjedő, így intenzitásukban eloszló fénysugaraival, a kis divergenciájú lézer fény az optikai rezonátorból kijövő igen szűk keresztmetszetének megfelelően jóval nagyobb intenzitással bír, mint amit a hagyományos fényforrással el lehetne érni. Nagyfokú temporális és spaciális koherencia – vagyis időbeni és térbeni rendezettség – mivel az indukált emisszió egy rendezett emisszió, így a lézer nyaláb egyes fotonjai azonos rezgési fázisban csatlakoznak egymáshoz. Az anyag a sugár egy részét abszorbeálja, más részét visszaveri, ez egyrészt a hullámhossz függvénye, másrészt az anyag tulajdonságaitól függ. Így – a szükséges paraméterek ismeretében – például az élő szövetekben a lézerrel történő vágás mélységét meg lehet tervezni.


A fény anyaggal való kölcsönhatása

A fény anyaggal való találkozásakor azzal kölcsönhatásba lép, melynek eredménye lehet visszaverődés, elnyelődés vagy áthaladás, illetve ezek kombinációja. A fényenergia viselkedését az anyag határfelületén mind a fénysugár tulajdonságai (elsősorban a hullámhossztól valamint az intenzitástól, valamint a beesés szögétől függően) és az anyag tulajdonságai (abszorpciós jellemzői, felületi tulajdonságai stb.) határozzák meg.

A közegben elnyelődött fényenergia a közeg anyagában hoz létre változásokat. Az anyagban a lézer  fény legfontosabb kölcsönhatásai a következők: hőhatás, fotodisszociáció, ionizáció, lökéshullámkeltés plazmával, fluoreszcencia, fotokémiai reakciók keltése. Leegyszerűsített formában azt mondhatjuk, hogy elsősorban a hőhatás elvén működnek például a sebészi lézer berendezések. Például a CO2 lézer esetén a vízben szinte tökéletesen elnyelődő 10,6 µm hullámhosszúságú lézer  sugár energiája elnyelődik (visszaverődés és áthaladás szinte nincs), hővé alakul a szövetekben, azok víztartalma felforr, majd robbanásszerűen elpárolog, a helyén pedig szövethiány keletkezik. Ez a vágás, vagy vaporizatio lézer késsel. Míg a CO2 lézer sugara minden víztartalmú szövetben elnyelődik, addig például a kék vagy zöld színű argon lézerré csak a pigmentált területeken. Ezzel magyarázható, hogy a nem színes szövetekben „hatástalan”, pl. a szem strukturáin minden károsító hatás nélkül keresztülhalad, ugyanakkor az erősen pigmentált retina elnyeli, így hatását ott kifejti (például levált retina visszahegesztése argon lézeres coagulatióval).


Az orvosi lézer berendezések felépítése és működése

Az orvosi lézer berendezések egy – kisebb – része, elsősorban azok, melyek az orvosi laboratóriumokban vagy a kutatóhelyeken állnak az orvostudomány szolgálatában, nem különbözik lényegesen az élet más területein (iparban, hírközlésben, kutatásban stb.) használatos készülékektől. A többinek viszont, mellyel az emberi szervezet egy-egy részének vizsgálatát vagy kezelését kívánjuk elvégezni – ahhoz hogy alapfeladatát el tudja látni –, speciális kialakításúnak kell lennie. Nemcsak arra kell alkalmasnak lennie, hogy a megfelelő paraméterekkel rendelkező lézer sugarat előállítsa, hanem arra is, hogy azt – megfelelő módon – az emberi szervezet kívánt területére (pl. a fog gyökércsatornájába) elvezesse és ezentúl a helyszínen különböző manipulációkra (kézi darab) adjon lehetőséget. Fentieken túl, egyes lézer típusok esetén az alkalmazási technikához elengedhetetlen, hogy a lézer összekapcsolható, illetve csatlakoztatható legyen különféle optikai eszközökkel, vagy lehetőséget biztosítson a hagyományos vizsgáló-terápiás eszköz és a lézer egy időben történő használatára. Szükség lehet hűtésre (fogfúrás), elszívásra és más egyébre is.

A lézer forrás önmagában természetesen orvosi célú alkalmazásra nem felel meg. Ahhoz, hogy orvosi lézer berendezésről beszéljünk, annak három alapvető funkciót kell teljesítenie:

1. Kontrollált módon a megfelelő paraméterekkel rendelkező lézer sugár előállítása (pontos beállítás lehetősége: teljesítmény, impulzushossz, stb.).

2. A lézer forrástól az alkalmazás helyére (testüreg, testfelület stb.) a lézer nyaláb odavezetése (fényvezető karokkal, flexibilis szálakkal, nyalábmanipulátorokkal stb.).

3. A kívánt helyen a lézer sugár – megfelelő technika szerinti – bevitele a szövetekbe vagy a szövetekre (mikromanipulátor, kézi darab, flexibilis szálak stb.).

Az orvosi lézer berendezések három nagy csoportba sorolhatók aszerint, hogy sebészi célokat, soft lézer terápiát, diagnosztikai célokat szolgálnak-e. A kívánt hatás elérése céljából a készülékeknek más-más tulajdonságoknak kell megfelelniük. Sebészi lézerek esetén általánosan jellemző a nagy teljesítmény sűrűség igénye. A kívánt szöveti hatás általában a lézer nyaláb lehető legnagyobb fókuszálásával, máskor pedig optikai eszközök segítségével, megfelelő szétterítésével érhető el. A sebészi lézerek legismertebb fajtája a CO2-laser, jellemző módon artikulációs-karon vezetve jut el a szervezet kívánt helyére, míg a másik két, leginkább elterjedt – ND YAG és dióda lézer – száloptikán vezethető. Általában a berendezéseknek meg kell felelniük a steril műtői körülményeknek is. A kezelendő szövetekben, a műtéti technikától függően kell a teljesítményt, valamint az expoziciós időt szabályozni. A lézer nyaláb átmérőjét lencsékkel lehet megfelelő foltátmérőre beállítani, mely vagy a kézi darabban, vagy a mikromanipulátor-operációs mikroszkópban, vagy a flexibilis szál végén kerül elhelyezésre. Gondoskodni kell a keletkező égéstermékek eltávolításáról. A lézer sugár paramétereinek beállítása a kezelő panelen történik, a lábkapcsoló lenyomásával nyitható a fényzár, melyet a nyaláb útjába építettek. A célzást a láthatatlan CO2 és Nd YAG lézer sugár esetében célzófényként szereplő HeNe, vagy dióda lézer biztosítja. A célzófényt és a sebészi lézer nyalábot egy nyaláb egyesítő szerkezet vezeti közös optikai tengelyre. A sebészeti lézer fény vezetése – a lézer  típustól függően – argon lézernél üveg vagy kvarc száloptika, Nd YAG lézernél kvarc optikai szál, CO2 tükrős-csuklós nyaláb vezető rendszer és cink-szelenid, germánium vagy gallium arzenid lencsék. Itt lézernél a kvarc és az üveg nem alkalmasak. A CO2-laser flexibilis vezetésében vagy a hullámvezetés (üreges szál), vagy a speciális infravörös optikai szál ígér megoldást.

A soft lézer terápiában szereplő lézer berendezések esetében nagy teljesítménysűrűség nincs, mivel ezek a 100 mW tartomány alatt vannak. Itt a monokromatikusság, a polarizáltság, a koherencia játszanak – esetenként alapvető fontosságú – szerepet. A lézer sugár kívánt területre juttatásakor flexibilis szálakat vagy nyalábmanipulátort használunk, a kisebb készülékek esetében nincs is szükség sugárvezető eszközre, mivel a készülék kézben elfér. Ezen berendezések esetében éppen ezért a jó szállíthatóság, a telepről történő működtethetőség, a miniatűrizáció előnyöket jelent. A leginkább elterjedt ebben a csoportban a Helium-Neon lézer , valamint a dióda lézerek.

A diagnosztikus célokat szolgáló berendezések esetében a nagyfokú megbízhatóság, pontosság, megfelelő felbontóképesség játszik fontos szerepet. Ugyancsak lényeges a magas fokú automatizáltság, és az, hogy a kis anyag mennyiségekből is nyerhetők adatok .


CO2 lézer

Jó hatásfoka, nagy teljesítménye miatt a gyógyászatban a gáz lézerek között a legjelentősebb a széndioxid lézer. A sebészi lézer berendezések között világszerte ebből a fajtából üzemel a legtöbb, ez sok orvosi szakmában alkalmazott kitűnő univerzális eszköz.

A széndioxid lézer 10,6 um hullámhosszúságú nyalábot bocsát ki, a lézerek között a legjobb hatásfokkal. Ez 10–15% körüli lehet. Az orvosi gyakorlatban a 100 W alatti teljesítményű lézerek terjedtek el, de más (pl. ipari, hadi stb.) alkalmazásoknál több tíz kilowattos lézereket is használnak.

A folytonos üzemmódban működő széndioxid lézereket sebészi eszközként használva egy elektromechanikus fényzárral kell ellátni, amelyet a sebész lábkapcsolóval működtet. A fényzár egyúttal lehetőséget ad a kezelőpanelen előre beállított időtartamú impulzus kibocsájtására. Egyes lézereknél szuper pulzált üzemmód is lehetséges. Ez esetben a több száz Hertzes frekvencián az átlagteljesítmény többszörösét elérő csúcsteljesítményű impulzussorozat kibocsájtására képes a berendezés. A nagy teljesítmény és a rövid expoziciós idő a környező szövetekben a hő terjedését behatárolja.


Neodimium YAG lézer

A neodimium YAG lézer aktív anyaga Nd3+okkal adalékolt YAG kristály (Yttrium-Alumínium-gránát, Y3Al5O12). A kristály üvegekénél jobb hővezető képessége teszi lehetővé a folytonos üzemű működtetést, persze így is szükség van állandó áramoltatásos vízhűtésre. A lézer teljesítménye maximálisan 100 W, ennél kisebb értékek tetszőlegesen beállíthatók. A lézer fény hullámhossza 1,06 µm, infravörös, szemmel nem látható, ezért a biztonságos üzemeltetéshez jelzőfény (pilotfény) alkalmazása szükséges.

A Nd YAG laser a szilárdtest lézerek tipikus példája, minden lehetséges laser-üzemmódban mûködhet: folytonos, folytonosan Q-kapcsolt, impulzusban pedig szabad generációs, Q-kapcsolt és pikoszekundumos impulzusok keltésére is alkalmas modusszinkronizációs változatával is találkozhatunk. A Nd YAG tulajdonképpen lézer családot jelent, mivel a néhány milliwattos teljesítménytől a kilowattokig sugározhatnak folyamatos fényt, impulzusaik csúcsteljesítménye a terrawattot is elérheti. Az elterjedt berendezések folyamatosan 10–100 W-ot, míg impulzusokban kilo- és megawattokat produkálnak.

A szilárdtest-lézereket (ha a dióda lézereket nem tekintjük annak) – a gáz lézerektől eltérően – nem lehet elektromos árammal gázkisülésként gerjeszteni, ezeket csak fénnyel, vagyis lámpákkal (vagy másik lézer fényével) lehet. Ennek megfelelően a lézer fejben itt a lézer rúddal együtt a gerjesztő fényforrást is megtaláljuk.

Hatásfokuk a CO2-laserhez képest meglehetősen alacsony, ezért sokszor néhány tízwattos lézert néhány tíz kilowattal kell gerjeszteni. Emiatt nagy mennyiségű hő keletkezik, így a folyamatos hűtés elengedhetetlen.


Erbium YAG lézer 

Közepes infravörös tartományban működő impulzus üzemű szilárdtest lézer (Er YAG), melynek hullámhossza 2,940 nm. Mind szabadonfutó, mind Q-kapcsolt üzemmódban alkalmazható. A hideg vágással csont, porc és fogak kezelésére alkalmas. A lézer fény vezetése tükrökkel ellátott csuklós artikulációs karokkal történik.


Félvezető lézerek, dióda lézer

A félvezető lézerek különleges helyet foglalnak el a lézerek között, egyrészt rendkívül kis méretük és az árammal való közvetlen vezérelhetőségük miatt. A lézer sugárzás a „p”, illetve „n” szennyezettségű félvezető rétegek közötti néhány µm-es p-n átmeneti tartományban alakul ki, a nyitóáramban átengedett áram hatására. A legismertebb típusa a GaAs, melyet tellurral (n típusú), illetve cinkkel (p típusú) szennyeznek. A rezonátort a félvezető megpolírozott véglapjai alkotják. A kibocsátott sugárzás elég nagy sávszélességű és széttartású, hullámhossza a közeli infravörös tartományba (900 nm körül) esik.

A félvezető lézerek egyre kisebb miniatürizált változatai is több ezer órás üzemeltetési idővel működnek. A klasszikus lézerekhez képest hátránya az, hogy a divergencia, a sugárzás sávszélessége nagyobb, koherenciája sem jó. Egyes alkalmazási területeken, ahol ezek kevésbé jelentősek, egyre jobban terjednek világszerte.


Soft laser terápia

A soft-laserek alapvető hatásai a fájdalomcsillapítás, gyulladáscsökkentés és a biostimuláció, valamint a sebgyógyulási folyamatok gyorsítása. A leggyakrabban alkalmazásra kerülő korszerű dióda-laser kiszorította a Helium-Neon-lasereket a mindennapos sztomatológiai praxisból.

Szájnyálkahártya betegségek közül a herpes, az aphta, a nem gyógyuló nyálkahártya fekélyek, krónikus gyulladásos jelenségek, stomatitis a leggyorsabb eredményt mutatják. A laserterápia gyors hámosodást eredményez, a gyógyulási idő általában a felére lerövidül.

Parodontalis kórképek közül a parodontitis, a gingivitis, a fogak előtörését, fogszabályozást kísérő jelenségek, tasakok hagyományos vagy laser sebészeti kezelése kiegészítve soft-laserrel gyors sebgyógyuláshoz, csontregenerációs folyamatok megindulásához, a gyulladás gyors szanációjához vezet.

Fájdalomszindrómák között a trigeminus neuralgia, atipusus arcfájdalom, postoperativ, posttraumás fájdalom eseteiben – a gondos diagnózist követően – a hagyományos terápiát kisteljesítményű laser-kúrával kiegészítve – vagy esetenként önállóan is – a fájdalomrohamok száma és a fájdalom erőssége jelentősen mérsékelhető.

A temporomandibularis izületi kórképek – arthrosis, arthritis okozta panaszok – posttraumás izületi fájdalmak, reflektorikus szájzár és egyéb folyamatok eseteiben elsősorban a fájdalom gyors megszüntetésével, a gyakran fennálló szájzár oldásával lehetővé válik a sztomatológiai szanáció, majd a hagyományos és a laserterápiás kezelés a panaszok jelentős mérséklődéséhez vezethet. Reflektórikus szájzár lasersugárral sok esetben azonnal – 2-3 perc alatt – oldható.

Dentális eredetű gyulladásokban, periodontitis, gyökérkezeléshez kapcsolódó panaszok, periostitis, lymphadenitis, osteomyelitis, phlegmone eseteiben a gyulladásos jelenségek hagyományos módon kezelve és közben lasert is kiegészítésképpen alkalmazva – gyorsabban és sokkal mérsékeltebb fájdalomtól és oedemától kísérve gyógyulnak.

Nyálmirigybetegségek, asyalia, syaloadenitis, syaloadenosis esetében a bevált, ismert eljárásokat laserkezelés kúrával egészíthetjük ki, és a nyáltermelés serkentése, a fájdalom és egyéb panaszok mérséklődése tapasztalható sok esetben.

Csontgyógyulási folyamatok serkentése, szájsebészeti csontműtétek (resectio, cystectomia, implantatio, extractio, dentoalveolaris mûtétek stb.) után azonnal laserterápiát alkalmazva a postoperatív oedema és a fájdalom csökken, majd a műtét utáni 2–4 napban tovább alkalmazva a hámosodás, a sebgyógyulás felgyorsul, és a varratszedés 2-3 nappal hamarabb elvégezhető. A szövődmények száma jelentősen csökken .

Fontos, hogy a soft-laserterápiát gondos vizsgálat, pontos diagnózis előzze meg, a legtöbb esetben a hagyományosan bevált gyógymódok kiegészítésére, esetenként önállóan is alkalmazható.

Comments