ليزر در دندان پزشکی ( بخش اول )

دکتر علی بشارت - ایمپلنتولوژیست

پیشگفتار

آیا می توان کاری کرد که رود خانه ها آسان تر به اقیانوسها بپیوندند ؟

بسیاری از کشفیات بشر نه تنها از مشکلات عدیده او نکاسته ، بلکه او را به گردابهایی سوق داده است که همانا بیگانگی با خویشتن است و درنهایت از رسیدن به عبودیت باز داشته است ودراین راستا راهی جز به خود آمدن ، که به خدا رسیدن است نداریم . پس بهتر نیست تمام تلاشهای ما انسانها درجهت هموارکردن زمینه های پرورش روح باشد که یکی از آنها کاستن آلام بشریت است .

واما لیزر این کشف جدید بشرکه معجزه قرن بیستم نام نهاده شده است علیرغم اینکه در تسلیحات نظامی که مهمترین آن جنگ ستارگان ، ردیابی زیردریایی و گرفتن اطلاعات جاسوسی از طریق ماهواره ها و ... استفاده می شود ، زمینه خدمات گسترده بهداشتی و درمانی را برای ما به ارمغان آورده است که بیشترین آن درچشم پزشکی ، درمان سرطانها و جراحیهای گوناگون است.

دانشمندان چنین می پندارند که درآینده با فرستادن باریکه هایی با طول موجهای خیلی کوتاه ، ژنهای غیرعادی روی کرومزومها را ازبین ببرند ویا بعبارتی شرایط غیرعادی ژنی را تصحیح کنند ویا با ارسال یک تارلیزری از طریق یک سوزن به درون اندام ،سرطان لوزالمعده که با جراحی درصد مرگ ومیر بالایی را دارد ،را درمان کنند .

از آنجایی که نورلیزر ویژگیهای خاصی چون تک رنگ بودن ،همدوسی زمانی و مکانی و در یک باریکه نوری بسیار کوچک گسیل می گردد . دارای انرژی بسیار زیاد و شگفت انگیز است که با آن می توان در دندانپزشکی جای تیغ های جراحی و هندپیس را بگیرد .

از کاربرد لیزر دربافتهای نرم دهان سالها می گذرد واما درمورد بافت سخت دندان بدلیل تولید گرمای این دستگاه و صدمه زدن به پالپ مورد استفاده قرار نمی گرفت تا اینکه اخیراً با تولید کردن نوع جدیدی از لیزر که گرمای کمی تولید می کند واین مقدارکم هم درمحدوده سلولهای دندانی نفوذ می کند بنام «ER.YAG» Erbium yttriu Aluminum Garne که این لیزر می تواند دربرداشتن پوسیدگی و تراش حفره و مینای دندان وسایراعمال مشابه در بزرگسالان بکار رود .

لیزر فاقد سرو صداست و احتیاج به بی حسی ندارد و بکار بردن لیزر بخصوص در مواردی که ترس از دندانپزشکی وجود دارد ، بسیارمؤثراست زیرا دراین روش عامل اصلی ترس یعنی سرو صدای تراش با مته ، حذف می شود . نسوج سالم اضافی برداشته نمی شود و فقط نسوج بیمار حذف می شود و درمجموع یکپارچگی نسوج دندانی بیشترحفظ می شود وهمچنین درکنترل عفونت نیز کمک می کند .

دراین پایان نامه سعی شده است مختصری از فیزیک و نوع لیزر و کاربرد های آن در دندانپزشکی بحث شود .

فصل اول

تاریخچه لیزر

درسال 1940 یک دانشمند روسی به نام و. فابر یکانت که درحال تجزیه بنیاب حاصل از تخلیه گازها بود متوجه شد که می توان از این تشعشعات در تقویت نور استفاده نمود . درسال 1951 فابریکانت با همکاری دانشمندان چون اف . بونایوا و م . و ودینسکی اولین تجربیات خود را دراین زمینه به مرحله اجرا درآورند .

درسال 1952 آ . پروخوف وان . باسوف از شوروی و اچ تاونز و اچ زبیجزر از امریکا و ج . وبر از کانادا همزمان و بطورمستقل یک اصل جدید برای تولید و تقویت فرکانسهای نوسانات الکترومغناطیسی میکرویو براساس استفاده از تشعشعات الکترومغناطیس پشنهاد نمودند . این پیشنهاد منجر به ایجاد مولدهای کوانتومی با باند فرکانسی حدود سانتیمتر و دسیمتر گردید که امروز به نام میزر (Maser) موسوم اند این مولد ها دارای فرکانسهای پایدار تری هستند.

به کارگرفتن میزرها به عنوان تقویت کننده باعث گردید حساسیت دستگاههای گیرنده رادیویی حدود دویست بار افزایش پیدا کند . دراولین مولدهای کوانتومی دو تراز انرژی سیستم اتمی به کارگرفته شد و جدایی فضایی مولکولها با ترازهای انرژی متفاوت دریک میدان غیریکنواخت الکتریکی صورت گرفت . درسال 1955 ان . یاسوف وآ . پروخوف پیشنهاد نمودند که ذرات می توانند با استفاده از سیستمهای کوانتمی با سه تراز انرژی که با یک میدان مغناطیسی خارجی تحریک می شوند به حالت نامتعادل برده شوند . ودر سال 1958 ان .باسوف و بی ول وجی پروف وآ . یروخوف از شوروی و چارلز تاونر وآ . شاولو درآمریکا امکان به کار گرفتن این روش را درتکمیل دستگاههای تقویت نمودند . در دسامبر 1960 با استفاده از تحقیقات فوق ت . میمن از امریکا توانست اولین مولد نوری را بسازد که به طور موفقیت آمیزی عمل نمود ودر آن یاقوت مصنوعی به عنوان ماده فعال استفاده گردید .

اولین مولد کوانتمی یاقوتی بطور ناپیوسته کارمی کرد و تشعشعات آن در ناحیه قرمز بیناب نوری قرارداشته و تحرک بوسیله چشمه نوری قوی انجام شد .

با ظهورمولد نوری یاقوتی کلمه لیزر بوجود آمد که از حروف اول کلمات جمله

Light Amplificatiom by Stimulated Emission of Radiation

یک سال بعد درسال 1961 دانشمند ایرانی پروفسور علی جوان با همکاری و .بنت ود . هریوت آمریکایی لیزرگازی را اختراع نمودند که درآن از مخلوطی از گاز هلیوم و نئون به عنوان ماده فعال استفاده نمودند این مخلوط بوسیله میدان مغناطیسی یک مولد با فرکانس زیاد تحریک می گردید ، این نوع لیزر بطور پیوسته کارمی کند که بطورخلاصه آن را لیزر موج پیوسته یا(C.W.Laser) می نامند . عمل تشعشعات القایی در دیودهای نیمه هادی درسال 1962 دراتحاد شوروی و امریکا نیز حاصل شد که منادی ظهور لیزرهای نیمه هادی گردید . امکان استفاده از نیمه هادیها به عنوان ماده فعال در لیزرها ، اولین بارتوسط دانشمندان روسی ان .باسوف، بی .ول و جی . پوپوف در اوایل سال 1959 تذکر داده شده بود .

لیزر نیمه هادی مستقیماً بوسیله جریان برق تحریک می شوند . اینگونه لیزرها قادرند به صورت پیوسته و ناپیوسته کار کنند . درحال حاضر بیش از صد نوع مواد مختلف به عنوان ماده فعال جهت تهیه لیزر مورد استفاده قرارمی گیرند . لیزرهایی از موادی نظیر بلورها شیشه های فعال مایعات پلاستیکها ، نیمه هادی ها و پلاسما تهیه و حتی از مواد تحریک شده به وسیله یونهای عناصر خاکهای نادر و مواد دیگری چون آب معمولی و حتی هوا نیز جهت تهیه لیزر استفاده گردیده هم چنین یک نوع جدید لیزرهای گازی به نام لیزرهای یونی نیز اختراع گردید .

حدود طول موج لیزرهایی که تاکنون ساخته شده بین 23 تا 835 میکرون می باشد .

فصل دوم :

فیزیک لیزر

1- اصول تولید لیزر

نورچیست ؟ :درقرن هفدهم ستاره شناس معروف آلمان کپلرفرضیه ای بیان نمود که نور متشکل از مواد یست که از اجسام شفاف و ساطع کننده خارج میگردد و معتقد بود که انتشار نور به صورت لحظه ای صورت می گیرد .

ونظریه قاطع درمورد نور بوسیله نیوتون بیان شد که نور یک شارمخصوص ذرات مادی است که توسط اجسام نورانی نشرمی شود .

همچنین نیوتون اولین کسی بود که پاشندگی نور را با بکاربردن یک منشور مطالعه و این پدیده را تشریح نمود و بعد از نیوتن هویگنس فیزیکدان آلمانی تئوری موجی بودن نور را وضع نمود

بعد ها توماس یانگ دانشمند انگلیسی توانست پدیده تداخل امواج و تفرق نور را تحقیق بخشد .اولاف رومر دانشمند دانمارکی موفق شد سرعت واقعی نور را درمطالعات نجومی ضمن مطالعه کسوف سیاره مشتری محاسبه نماید و ثابت نمود که سرعت سیرنور برابر با KM/S 300000 کیلومتر برثانیه می باشد

می دانیم که اجسام از مولکولها تشکیل شده اند و مولکولها از مجموع اتمها .

اتم چیست ؟

هراتم دارای هسته ای با بارمثبت است که قسمت اعظم جرم اتم را دربرگرفته و تعدادی الکترون با بارمنفی که در مدارات مختلف به دور هسته می چرخند مثلا ساده ترین ساختمان را اتم هیدروژن دارد که هسته آن حاوی یک پروتون است که دراطراف این هسته یک الکترون درحال حرکت می باشد و دریک لایه معینی می چرخد .

الکترون و پروتون ذرات بارداری هستند که بارآنها از نظر میزان یکسان ولی از نظر علامت مخالف یکدیگر می باشند (الکترون دارای بارمنفی و پروتون دارای بارمثبت)و به طور کلی اتم هیدروژن از نظر بار الکتریکی خنثی می باشد .

هسته هیدروژن و الکترون موجود درلایه آن متقابلا یکدیگر را به وسیله نیروی الکترو استاتیک جذب می کنند و به همین دلیل است که الکترون از هسته دور نمی گردد و البته اتم درحالت عادی خنثی است .

اربیتهای یا لایه ها که یک الکترون می تواند اشغال کند به وسیله حروف O .N .M .L .K مشخص می نماید . نزدیکترین الکترون به هسته را با الکترون لایه K مشخص می نمایند و همچنین می توان این لایه ها را با شماره های 1، 2، 3 مشخص نمود .

این اعداد را اعداد اصلی کوانتایی می نامند و با سمبل n نشان می دهند پائین ترین لایه، نزدیکترین لایه به هسته اتم است که دارای 1= n بوده و باثبات ترین لایه برای هیدروژن می باشد .انرژی این الکترون را در این لایه با 1E مشخص می نمایند .

برای اینکه الکترون را از یک لایه به لایه دیگری که از هسته دورتر است منتقل کنیم باید مقدارمعین انرژی مورد نیاز به الکترون داده شود . انرژی الکترون درلایه بعدی را با 2E نشان می دهند . انرژی الکترون دراین لایه معادل انرژی الکترون درلایه قبلی به اضافه انرژی گرفته شده از فوتون نورمی باشد .

هنگامی که الکترونهای اتم را تحریک می نمائیم وآنها را به لایه های بالاتر می بریم . اتم برانگیخته شده و نمی تواند برای مدت طولانی دراین حالت باقی بماند و تمایل دارد به حالت ثابت اولیه که دارای مینیموم انرژی است برگردد . دراین تغییرحالت اتم همان میزان انرژی دریافت داشته را از خود به صورت کوانتایی نوری به انرژی hv ساطع می کند .

این حالت برای الکترون های اربیت های دیگر نیز صادق است . درنتیجه عمل یک سری فرکانسهای مختلف نور به وجود می آید که طیف نشری اتم را تشکیل می دهد . هراتم فرکانسهای معین و محدود به خود را داشته و هر چه ساختمان اتم پیچیده ترباشد طیف حاصله ازآن نیز به همان نسبت پیچیده خواهد بود . نور بوسیله اتمها جذب و دفع میگردد و این عمل هنگامی صورت می گیرد که اتمها از یک سطح انرژی به سطح دیگر انرژی منتقل می گردند این خصوصیت نه تنها دراتم بلکه در مولکولها و یون ها نیز وجود دارد .

مرحله انتقال ذره از حالت نرمال که دارای مینیموم انرژی است به سطح انرژی بالاتر (برانگیخته) وبالعکس درشکل نشان داده شده است .

الکترون با دریافت انرژی می تواند از مدار کم انرژی به مدار پرانرزی بفرستد ازاین رو آن را فرایند جذب گویند .

الکترون با سقوط از تراز بالا به تراز پائین نوری گسیل می کند که آن را گسیل خود بخود می نامند .

فرآیند گسیل القایی : فوتون فرودی پس از برهمکنش با الکترون مدار پرانرژی آنرا به تراز کم انرژی سقوط خواهد داد . دراین برهمکنش دو فوتون ایجاد می شود یکی القاء کننده و دیگری القاء شونده که این دو فوتون به دنبال هم روان می شوند .

گفتیم درانتقال اتم به سطوح انرزی پائین تر همزمان مقداری انرژی از اتم ساطع میگردد که به صورت تشعشع بوده وآن را تشعشع همزمان می نامند واین تشعشع ، مخلوطی از امواج با طول موجهای مختلف می باشد . باید توجه داشت نه تنها این امواج از لحاظ طول موج با یکدیگر متفاوتند بلکه دارای فازهای مختلف می باشند این گونه تشعشع را اصطلاحاً تابش ناهمساز یا تابش غیرهمدوس می نامند همچنانکه درشکل نشان داده شده است (2- 5)

تابش ناهمساز (ناهمدوس)

تابش همساز(همدوس)

درسال 1917 اینشتن پیش بینی نمود علاوه براین تشعشع نوع دیگری تشعشع وجود دارد که آنرا تشعشع القایی می نامند ، این بدان معنی است که اتم ، مولکول ، یونها نه تنها هنگام انتقال از حالت برانگیخته به حالت نرمال از خود کوانتم نور ساطع می کنند بلکه هنگامی که به آن نیرویی وارد می شود و تحت تاثیر یک کوانتم خارجی قرار می گیرند این عمل ( تغییر سطح انرژی از سطح بالاتر به پائین تر) صورت می گیرد و ذرات از خود نور ساطع می کنند . این پدیده بدان معنی است که مثلا اگر الکترونی که درحالت برانگیخته و درسطح انرژی بالاتری باشد هم خود به خود می تواند (بعد از مدت زمان معینی ) به لایه قبلی خود برگشته و هم می تواند دراثر برخورد یک فوتون نوری دیگری (نیروی القایی) به لایه اولیه برگشته و از خود نورساطع کند ، اینگونه تابش را تابش اجباری می نامند . مکانیسم اینگونه تابش برعکس پدیده جذب می باشد . زیرا در پدیده جذب الکترون دراثر برخورد فوتون نور به لایه بالاتر رفته و نور را جذب می کند . لیکن دراین گونه تشعشع الکترون تحریک شده دراثر برخورد با فوتون نوری دیگر به لایه پائین تر رفته و از خود فوتون (نور) ساطع می کند با این تفاوت که درجذب نور تابیده شده ناپدید می گردد . لیکن درتابش اجباری نور تابیده شده همراه با کوانتوم نوری جدید ظاهرمی گردد اینگونه کوانتم های نوری هیچگونه وجه تمایزی با یکدیگر نداشته و کاملا بهم شبیه می باشند ، به نحوی که غیرقابل تشخیص از یکدیگر می باشند و این بدان علت است که فوتونی که وارد اتم برانگیخته می شود فوتون مشابه خود را از داخل اتم به بیرون پرتاب می نماید . بدین ترتیب طول موج مسیر ، فاز فوتون ایجاد شده با فوتون اولیه کاملا یکسان می باشد درنتیجه این تشعشع یک تشعشع همساز بوده وطیف حاصله به صورت یک طیف باریک می باشد .

فرکانس موج الکترومغناطیسی حاصل شده از اتم از فرمول زیرمحاسبه میگردد که دراین رابطه hضریب پلانگ می باشد

- دستگاههای تولید کننده لیزر :

قسمتهای اصلی یک دستگاه لیزر شامل :

1- محیط فعال : Active Medum

محیط فعال به موادی گفته می شود که اتمها و مولکولهای آن ماده با گرفتن انرژی باعث تحریک آن اتمها شده و آنها را به سطوح بالاتر انرژی بفرستند و بعد از اینکه اتمها انرژی دریافت کردند به یک حالت نیمه پایدار می رسند و این حالت به مدت خیلی کوتاهی باقی می ماند تا بقیه اتمهای ماده تحریک شده و تعداد اتمها تحریک شده زیاد شوند و چون اتمهای تحریک شده تمایل به بازگشت به سطح عادی خود را دارند درحالی که اتمها به حالت عادی برمی گردند انرژی آزاد می کند یعنی یک فوتون واگر این فوتون به اتم دیگری برخورد کند باعث می شود که اتم دوم به حالت اولیه برگشته و انرژی موجود درخود را بصورت یک فوتون دیگر آزاد کند یعنی از برخورد یک فوتون به اتم تحریک شده دو فوتون مشابه و هم جهت و هم انرژی و هم رنگ تولید کند و به همین ترتیب دو فوتون با برخورد به دو اتم دیگر دو فوتون مشابه دیگر ایجاد کرده و چهار فوتون آزاد شود و به ترتیب به هشت اتم و ... تا تعداد انبوهی از اتمها تولید شود این پدیده را گسیل اتصال القایی و نور حاصل از این پدیده همان نور لیزر است

اغلب مواد فعال دارای ساختمانی بلوری می باشند . کروندوم corundum باسنگ سنباده (یاقوت یکی از انواع کروندوم است که رنگی بودن آن به خاطر وجود اتمهای کروم آن است ) رنگ یا قوت بستگی به میزان کروم آن دارد . هرچه کروم آن بیشترباشد . رنگ آن شدید تر است بهترین کروم موجود دریاقوت 5 درصد است و در برخی لیزرها درصد بین 05/0 تا 5/0 متغییر است .

رنگ قرمز یاقوت به خاطر این است که اتمهای کروم موجود در کریستال نور منطقه سبز آبی و نیلی و قسمتی از نور ماوراء بنفش را جذب می نماید . نوع ماده فعال مورد استفاده مقدار انرژی فوتون (طول موج) را تعیین می کند در لیزر یاقوتی طول موج سرخ و در لیزر گاز آرگون طول موجهای آبی و سبز و کریپتون زرد و قرمز .

لیزر نئو دیمیوم - یاگ (Nd- YAG) طول موج 1064 نانومتر و گاز کربنیک 10600 نانومتر

2- سیستم های تشدید کننده

برای تقویت کردن جدی اشعه معمولا وسایل مختلفی بکار گرفته می شوند تا شرایط لازم برای تقویت اشعه فراهم شود چنین دستگاهی رامشدد یا رزوناتور می نامند .

با منعکس شدن فوتون بوسیله آینه تمام بازتاب برخورد اتمهای تحریک شده به یکدیگر، فوتونهای جدید شرکت کننده بیشتر شده و درنتیجه تعداد بیشتری فوتون تولید می شود و مقدار زیادی انرژی لیزر ایجاد می شود و سپس از طرف دیگر محیط فعال که آینه آن نیمه شفاف است قسمتی از فوتونها بصورت نور لیزر به بیرون راه پیدا می کنند و فوتون هایی که درجهت محفظه حرکت نمی کند به دیواره اطراف برخورد کرده و انرژی خود را به صورت گرمابه اطراف آزاد می کنند . انواع تشدید کننده شامل

با آینه های موازی و مسطح

منعکس کننده کروی شکل

3-روشها و منابع تحریک کننده

تحریک کردن یک ماده فعال را درلیزر معمولا Pumping (تلمبه زدن ) می گویند .

- ساده ترین و متداولترین روش تحریک بوسیله نور است و منابع تحریک بوسیله نور را لوله ها تخلیه الکتریکی تشکیل می دهند . سیستم اینگونه پمپ ها (معمولا حاوی دو عنصر اصلی است .)

1- منبع نور

2- دستگاه منعکس کننده که کارش تمرکز نور منبع بر روی مواد فعال می باشد .

II - میله یاقوت را درکانون یک دستگاه استوانه ای بیضوی شکل که دارای سطوح منعکس کننده است قرار داده ولوله رخشنده را درکانون دیگر آن قرار می دهند دریک چنین طرحی تمام تشعشع حاصله از لوله رخشنده پس از برخورد با بدنه متعکس کننده از کانون دیگر عبور و باعث تحریک میله یاقوت می گردد .

III - سیستم تحریک کننده خورشیدی که به استفاده از نور خورشید و بکمک آینه مقعری که دارای قطری درحدود 120 سانتیمتر است نور را متمرکز می نماید .

IV - روش تحریک یاقوت بوسیله اشعه لیزر نیمه هادی

V - استفاده از انرژی احتراق مفتولهای قابل احتراق می باشد .

بطور خلاصه اصول کار لیزربدین گونه که دراشکال زیر رسم شده می باشد که به دو صورت معمولی و طپش قوی هستند .

اتمهای مواد فعال قبل ازتحریک