Thesis
Reference
Influence de la pression de l'air, du débit d'eau et de la fréquence sur l'efficacité d'un laser Er:YAG sur l'émail et la dentine
RIZCALLA, Nicolas
Abstract
{OBJECTIF:} évaluer l'influence de la pression de l'air, du débit d'eau et de la fréquence sur la vitesse d'ablation de l'émail et de la dentine ainsi que sur leur morphologie de surface.
{MATERIEL ET METHODES:} Vingt quatre incisives bovines ont été préparées et placées sur un assemblage expérimental permettant leur orientation précise. Neuf cavités ont été préparées dans l'émail et dans la dentine sur chaque échantillon. Des paramètres spécifiques, comprenant la puissance, la fréquence, le débit d'eau et la pression de l'air ont été appliqués pour chaque groupe expérimental. Trois groupes ont été formés à partir des différentes valeurs de pression d'air. La profondeur des cavités a été mesurée avec une sonde micrométrique et la morphologie de surface contrôlée au microscope électronique à balayage (MEB). {RESULTATS:} En augmentant au delà d'un certain seuil la fréquence et le débit d'eau, l'efficacité diminue. Il a été trouvé que la pression de l'air interagit avec les autres paramètres car la vitesse d'ablation varie en la faisant varier seule. {CONCLUSIONS:} [...]
RIZCALLA, Nicolas. Influence de la pression de l'air, du débit d'eau et de la fréquence sur l'efficacité d'un laser Er:YAG sur l'émail et la dentine. Thèse de doctorat : Univ.
Genève, 2010, no. Méd. dent. 683
URN : urn:nbn:ch:unige-55894
DOI : 10.13097/archive-ouverte/unige:5589
Available at:
http://archive-ouverte.unige.ch/unige:5589
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Section de médecine dentaire
Division de cariologie et d’endodontie
Thèse préparée sous la direction du Professeur Ivo KREJCI
INFLUENCE DE LA PRESSION DE L’AIR, DU DEBIT D’EAU ET DE LA FREQUENCE SUR L’EFFICACITE D’UN LASER ER:YAG
SUR L’EMAIL ET LA DENTINE
Thèse
présentée à la Faculté de Médecine de l'Université de Genève
pour obtenir le grade de Docteur en médecine par
Nicolas RIZCALLA de Lausanne (VD)
Thèse n° 683 Genève
2010
Remerciements
Mes premiers remerciements vont au Prof. Ivo Krejci qui m'a fait
l'honneur de présider ce travail de thèse, pour sa grande disponibilité et ses encouragements qui m'ont motivés tout au long de ce travail de recherche.
Le Dr. Carl Bader pour ses conseils et son aide précieuse dans les travaux de laboratoire.
Les Dr. Stefano Ardu et Nacer Benbachir qui m'ont grandement aidé dans l'apprentissage de la méthode de travail.
Madame Marie Claude Reymond et Monsieur Cyril Chal, pour leur soutien et leur travail de préparation et d'observation des échantillons au microscope.
Monsieur Nagi Tabet pour son aide dans le choix et l'obtention des appareils de mesure.
A tous les collaborateurs de la division de cariologie et d'endodontie, pour leur collégialité ainsi que pour l'excellente ambiance de travail qui y règne.
Je voudrais remercier mes parents pour leur encouragement constant et
leur soutien.
TABLE DES MATIÈRES
I PARTIE FRANÇAISE
Résumé 2
Introduction 3
Matériel et Méthode 4
Résultats 6
Discussion 7
II PARTIE ANGLAISE
Abstract 10
Introduction 12
Materials and Methods 13
Results 15
Discussion 18
References 23
Tables 26
RESUME
Objectif: évaluer l’influence de la pression de l’air, du débit d’eau et de la fréquence sur la vitesse d’ablation de l’émail et de la dentine ainsi que sur leur morphologie de surface.
Matériel et méthodes: Vingt quatre incisives bovines ont été préparées et placées sur un assemblage expérimental permettant leur orientation précise.
Neuf cavités ont été préparées dans l’émail et dans la dentine sur chaque échantillon. Des paramètres spécifiques, comprenant la puissance, la fréquence, le débit d’eau et la pression de l’air ont été appliqués pour chaque groupe expérimental. Trois groupes ont été formés à partir des différentes valeurs de pression d’air. La profondeur des cavités a été mesurée avec une sonde micrométrique et la morphologie de surface contrôlée au microscope électronique à balayage (MEB).
Résultats : En augmentant au delà d’un certain seuil la fréquence et le débit d’eau, l’efficacité diminue. Il a été trouvé que la pression de l’air interagit avec les autres paramètres car la vitesse d’ablation varie en la faisant varier seule.
Conclusions : l’augmentation des valeurs des différents paramètres n’a pas amélioré l’efficacité. L’optimisation des paramètres entre eux semble être la clé afin d’obtenir une efficacité optimale avec peu de dommages pour la préparation de cavités avec un laser Er :YAG.
INTRODUCTION
Grace à sa longueur d’onde à 2940 nm, qui est très bien absorbée par l’eau et l’hydroxyapatite, le laser de type Er:YAG est devenu la préférence pour la préparation de cavités. (Bader & Krejci 2006) Mais la longueur d’onde n’est qu’un des paramètres influençant l’efficacité du laser et son effet sur la morphologie de surface du substrat. La puissance, la fréquence et la longueur d’onde sont tout aussi importantes pour l’ablation des tissus minéralisés. (Li, Code et al. 1992; Olivi & Genovese 2007; Corona, Souza-Gabriel et al. 2008) Des études précédentes ont démontré l’influence de la fréquence sur le taux d’ablation. (Li, Code et al. 1992; Brugnera and Marchesan 2001; Olivi &
Genovese 2007; Corona, Souza-Gabriel et al. 2008) En l’augmentant, le nombre de pulses dans la même intervalle de temps est plus important et le temps de travail diminue. D’un autre côté, l’augmentation de la puissance semble avoir moins d’influence sur l’efficacité.
Les lasers Er:YAG doivent utiliser un spray d’eau pour réduire les effets secondaires thermiques, celui-ci constitue un autre facteur pouvant influencer les effets du laser. (Keller and Hibst 1991; Staninec, Xie et al. 2003; Meister, Franzen et al. 2006; George and Walsh 2007; Mir, Meister et al. 2008;
Staninec, Meshkin et al. 2008) Il a été démontré que le spray est non seulement important pour le refroidissement mais a aussi un rôle sur l’ablation des tissus. (Burkes, Hoke et al. 1992; Meister, Franzen et al. 2006) Le volume d’eau est aussi à prendre en considération car une quantité trop importante peut réduire le taux d’ablation. (George and Walsh 2007)
Bien que l’influence du débit d’eau sur le taux d’ablation, l’efficacité et la morphologie de surface ait été bien démontrée, (Kim, Jeoung et al. 2003;
Staninec, Xie et al. 2003; Meister, Franzen et al. 2006; Mir, Meister et al. 2008) l’importance de l’ajout de la pression de l’air au spray n’a pas été étudiée.
Le but de cette étude était d’évaluer l’influence de la pression de l’air, du débit d’eau ainsi que de la fréquence sur la vitesse d’ablation de l’émail et de la dentine et sur leur morphologie de surface. L’hypothèse nulle était qu’il n’y avait pas de différence entre les différents réglages de spray et de fréquence pour les taux d’ablation d’émail et de dentine ainsi que pour leur morphologie de surface.
MATERIEL ET METHODES
Vingt-quatre incisives bovines ont été utilisées dans cette étude. Chaque dent a été coupée horizontalement pour produire une tranche d’une épaisseur de 3 mm (Figure 1, 2). L’échantillon a été fixé sur un support pour MEB avec une résine composite (Tetric, Ivoclar-Vivadent AG, Schaan, Liechtenstein) puis conservé dans de l’eau jusqu’au début des expériences. Pour la préparation des cavités, chaque échantillon a été monté sur un assemblage expérimental permettant son orientation précise dans l’espace. L’embout saphir du laser a été positionné perpendiculairement à la surface de l’échantillon à une distance de 3 mm (figure 3). 18 cavités ont été préparées dans chaque dent, 9 dans l’émail en périphérie et dans la dentine au centre. Chaque cavité était caractérisée par quatre paramètres : la pression de l’air, la puissance, la
fréquence et le débit d’eau. La préparation a été effectuée avec un laser Er:YAG (LiteTouch, Serial-No: 002-00096, Syneron Medical Ltd., Industrial Zone, 20692 Yokneam Illit, Israel) pendant 5 s sous spray d’eau continu avec un embout saphir conique de 800 !m. Pour chaque groupe expérimental, des paramètres de préparation spécifiques on été appliqués (Table 1). Trois valeurs ont été choisies pour le débit d’eau : faible, moyenne et haute, qui sont représentées comme suit : W2 < W5 < W8. Le débit en ml/min avait une valeur différente selon la pression d’air appliquée (Table 2).
La puissance n’étant pas l’objet de cette étude, une seule valeur a été choisie pour la dentine (100 mJ) et pour l’émail (200 mJ). La profondeur des cavités a été mesurée avec un micromètre digital d’une résolution de 70 !m. (Sylvac
!S233, Serial-No: 724556, Sylvac SA, Ch. du Closalet 16, 1023 Crissier,
Switzerland) (George and Walsh 2007). La pointe a été placée dans la partie la plus profonde de chaque cavité en essayant plusieurs endroits jusqu’à trouver la valeur la plus élevée. Le micromètre a été calibré avant chaque mesure en le réglant à zéro au bord de chaque cavité. De plus, la morphologie de surface de toutes les préparations a été contrôlée au MEB (Sylvac !S233, Serial-No:
724556, Sylvac SA, Ch. du Closalet 16, 1023 Crissier, Switzerland) sous plusieurs grossissements.
Pour la statistique, les trois variables (pression de l’air, débit d’eau et fréquence) ont été soumises au test ANOVA pour évaluer l’efficacité.
RESULTATS
Les résultats pour l’efficacité sont présentés dans la figure 4 pour l’émail et la figure 5 pour la dentine.
L’ablation la plus importante des substrats a été observée à 25 Hz pour l’émail et 30 Hz pour la dentine. L’efficacité diminuait si on augmentait la fréquence à des valeurs plus élevées.
Une ablation plus importante a été notée avec un débit d’eau faible (W2), et celle-ci diminuait avec l' augmentation du débit.
Une interaction de la pression de l’air avec les autres paramètres a été observée dans cette étude. En général le taux d'ablation variait selon la valeur de pression, alors que les autres paramètres demeuraient inchangés.
Pour l'émail, la plus grande ablation a été observée avec les paramètres de 4 bar, W2 et 25 Hz. Pour la dentine, 4 bar W2 et 30 Hz ont donné les meilleurs résultats.
La morphologie de surface a été examinée au MEB et les observations suivantes on été faites: Dans l'émail, avec la pression réglée sur 2 bars, les cavités présentaient quelques zones fissurées et fondues. Augmenter la pression à 4 bars a fait apparaître un nombre accru de fissures, d'irrégularités et de zones de fusion. De plus, la profondeur des cavités était plus importante.
Avec 3 bars, la topographie de surface était plus régulière et exempte de fusions (Figure 6).
Les cavités dans la dentine ont aussi été contrôlées pour les irrégularités et zones de fusion et des constatations similaires à l'émail ont été faites (Figure 7).
Les cavités préparées avec les réglages les plus efficaces dans l'émail présentaient une surface très endommagée. Pour la dentine, quelques zones de fusion et fissures ont été observées.
DISCUSSION
Cette étude a démontré l'influence des différents paramètres sur l'efficacité de la préparation des cavités avec un laser Er:YAG. L'augmentation de la fréquence a eu un effet positif sur l'efficacité.(Li, Code et al. 1992) En effet avec l'augmentation du nombre de micro explosions dans le même intervalle de temps, une quantité plus importante de tissus est retirée.(Mehl, Kremers et al.
1997) Ceci a démontré que l'augmentation de l'efficacité venait de l'effet mécanique produit par les micro explosions plutôt que de l'effet thermique généré en augmentant la puissance.(Mehl, Kremers et al. 1997; Corona, Souza-Gabriel et al. 2008) Mais avec des fréquences très élevées (40 & 50 Hz), il n'y avait pas de gain d'efficacité supplémentaire, et des dommages de surface importants sont apparus. Ceci peut être dû à l'intervalle plus court entre deux pulses qui empêche le spray d'eau de mouiller la surface suffisamment. Ainsi la température augmente et les effets secondaires thermiques apparaissent.(Olivi and Genovese 2007) La fusion des tissus devient plus importante que l'ablation mécanique et le temps de travail augmente.
L'importance du spray d'eau lors de la préparation de cavités au laser a déjà été reportée dans des études précédentes. Les cavités ont des surfaces lisses sans dommages thermiques. Sans eau, des importantes altérations de surface,
comme la carbonisation peuvent être observées.(George and Walsh 2007) D'autres publications ont souligné l'importance d'avoir un film d'eau d'épaisseur suffisante pour obtenir un taux d'ablation, une efficacité et un morphologie de surface optimales.(Staninec, Meshkin et al. 2008) Dans cette étude, il a été trouvé que l'efficacité diminue en augmentant le débit d'eau. Ceci peut être expliqué par le fait qu'avec un film d'eau trop épais, l'énergie est absorbée loin en surface et les micro explosions n'atteignent pas le tissu plus bas, donc le taux d'ablation diminue.(George and Walsh 2007)
Il peut être avancé que le facteur le plus important pour améliorer l'efficacité n'est pas l'augmentation du débit ou de la fréquence, mais le réglage fin entre les deux. Si l'intervalle entre deux pulses est long il y aura trop d'eau en surface et s'il est trop court la surface ne sera pas mouillée en suffisance et des dommages thermiques apparaissent.(Burkes, Hoke et al. 1992) Donc pour améliorer l'efficacité, une haute fréquence est nécessaire mais il faut de l'eau en suffisance entre les pulses.
Dans cette étude, la pression de l'air a été ajustée pour améliorer l'apport d'eau entre 2 pulses et les observations suivantes on été faites. Pour avoir une bonne efficacité, la fréquence doit être élevée et la pression de l'air est importante pour mieux délivrer l'eau en surface. De plus, les dégâts thermiques observés avec les hautes fréquences sont réduits et le taux d'ablation est plus élevé.
Après analyse au MEB, les cavités du groupe 2 bar présentaient un peu de dommages thermiques, probablement a cause de la difficulté à mouiller la surface entre les shots. Le groupe 4 bar avait le plus de dommages en surface de toute évidence parce que le film d'eau était éliminé a cause de la trop forte pression. Enfin, les cavités dans le groupe 3 bar étaient lisses et ne montraient
presque pas de zones de fusion ou fissures. Le groupe 3 bar offrait donc le meilleur compromis pour avoir un film assez épais et un apport d'eau suffisant entre les shots.
Jusqu'à présent, seules la fréquence et le débit d'eau ont été étudiés dans la littérature. Cette étude a démontré l'influence de la pression de l'air sur les facteurs susmentionnés. Les paramètres de 25 Hz / W5 / 3 bar pour l'émail et 30 Hz / W2 / 3 bar pour la dentine sont ceux qui ont le mieux amélioré l'efficacité sans apporter des dommages importants en surface.
CONCLUSION
Dans les limites de cette étude, il a été conclu que la simple augmentation des paramètres évalués ne conduit pas à une meilleure efficacité.
Le réglage fin des paramètres, afin d'obtenir un bon taux d'ablation avec un minimum de dommages à la surface semble être la clé pour obtenir une efficacité optimale dans la préparation de cavités au laser Er:YAG.
L'optimisation des 3 paramètres entre eux doit donc être prise en compte pour obtenir une bonne efficacité et ainsi diminuer le temps de travail.
Influence of air pressure, water spray and pulse frequency on the efficiency of an Er:YAG laser on enamel and dentin
ABSTRACT
Objective: To evaluate the influence of air pressure, water flow rate and pulse frequency on the removal speed of enamel and dentin as well as on their surface morphology.
Materials and methods: Twenty-four bovine incisors were horizontally cut in slices of 3 mm thickness and each sample was first mounted on an experimental assembly allowing precise orientation of the sample. The laser sapphire tip was positioned perpendicularly to the surface of the sample at a distance of 3 mm. Eighteen cavities were prepared on each slice, 9 in enamel at the periphery and 9 in dentin in the center. Specific preparation parameters, comprising power density, frequency, water flow rate and air pressure were applied for each experimental group. Three groups were randomly formed according to the different air pressure settings. Cavity depth was measured using a digital micrometer gauge and surface morphology was checked by means of loupes and SEM. Data was submitted to ANOVA and Duncan post hoc test.
Results: Laser irradiation at 25 Hz for enamel and 30 Hz for dentin provided the best ablation rates within this study. When raising frequency further, efficiency decreased. Greater tissue ablation was found in cavities with water flow rate set to low and it dropped when using higher values. Air pressure was
with different air pressure values while maintaining other parameters unchanged.
Conclusions: Increasing the values of all evaluated parameters did not lead to better efficiency. Fine-tuning of all parameters in order to get a good ablation rate with minimum surface damage seems to be the key in achieving optimal efficiency for cavity preparation with an Er:YAG laser.
INTRODUCTION
Due to its unique emission wavelength at 2940 nm, which is extremely well absorbed by water and by hydroxyapatite, Er:YAG laser is the preferred laser type for cavity preparations.(Bader and Krejci 2006) However, emission wavelength is only one parameter influencing laser efficiency and its effect on surface morphology of the substrate. Power density, frequency and pulse length are other parameters that are important as well in the ablation of mineralized tissues.(Li, Code et al. 1992; Olivi and Genovese 2007; Corona, Souza-Gabriel et al. 2008)
Previous studies have demonstrated the influence of pulse frequency on ablation rate in cavity preparations.(Li, Code et al. 1992; Brugnera and Marchesan 2001; Olivi and Genovese 2007; Corona, Souza-Gabriel et al. 2008) By increasing frequency, more shots are applied and more tooth substance is thus removed during the same time interval, resulting in reduced operation time.
On the other hand, increasing energy density seems to have a lesser influence on laser’s efficiency, at least in enamel.(Mehl, Kremers et al. 1997; Corona, Souza-Gabriel et al. 2008)
As Er:YAG lasers for cavity preparation must use water spray to reduce thermal side effects,(Keller and Hibst 1991; Staninec, Xie et al. 2003; Meister, Franzen et al. 2006; George and Walsh 2007; Mir, Meister et al. 2008; Staninec, Meshkin et al. 2008) spray settings represent another issue which may influence laser’s effects. It was shown that external water spray is not only beneficial as a coolant, but also has a significant influence on the ablated volume.(Burkes, Hoke et al. 1992; Meister, Franzen et al. 2006) The amount of
water is also significant, because an excessive amount may decrease the rate of ablation.(George and Walsh 2007)
Although previous studies demonstrated influence of water flow rate on ablation rate,(Kim, Jeoung et al. 2003; Staninec, Xie et al. 2003; Meister, Franzen et al.
2006; Mir, Meister et al. 2008) efficiency and surface morphology, there is no report on the influence of added air pressure to water spray.
It was therefore the purpose of this study to evaluate the influence of air pressure and water flow rate, as well as pulse frequency on the removal speed of enamel and dentin and on their surface morphology. The null hypothesis was that there was no difference between different spray and frequency settings in respect to dentin and enamel ablation rate as well as in respect to surface morphology of enamel and dentin.
MATERIAL AND METHODS
Twenty-four bovine incisors were used in this study. Each tooth was horizontally cut in order to produce a slice of 3 mm thickness (Figure 1, 2). The slice was fixed on a SEM holder by means of a composite resin (Tetric, Ivoclar- Vivadent AG, Schaan, Liechtenstein) and stored in water up to the beginning of the experiments. For cavity preparation, each sample was mounted on a specimen holder, and then on an experimental assembly allowing the precise orientation of the sample in the x/y/z-dimensions by using micrometric screws.
The laser sapphire tip was positioned perpendicularly to the surface of the sample at a distance of 3 mm (Figure 3). Eighteen cavities were prepared in each sample, 9 in enamel at the periphery and 9 in dentin in the center of each
slice. Each cavity was characterized by four parameters: Air pressure, power density, pulse frequency and water flow rate. The preparation was performed with an Er:YAG laser (LiteTouch, Serial-No: 002-00096, Syneron Medical Ltd., Industrial Zone, 20692 Yokneam Illit, Israel) for 5 s under continuous water spray cooling with a conical 800 !m sapphire tip. For each experimental group, specific preparation parameters were applied (Table 1). The water flow rate was varied using the laser handpiece settings. Three values were chosen, in order to have a low, medium and high value, which was represented as follows: W2 <
W5 < W8. The flow rate in ml/min varied depending on the air pressure settings as reported in Table 2. Since power density influence was not the focus of this study, only one value was chosen for dentin (100 mJ) and one for enamel (200 mJ).
The depth of the cavities was measured using a digital micrometer gauge with a resolution of 70 !m (Sylvac !S233, Serial-No: 724556, Sylvac SA, Ch. du Closalet 16, 1023 Crissier, Switzerland) with a modified, sharpened tip with a tip diameter of 70 !m.(George and Walsh 2007) The tip was carefully put in the deepest spot of each cavity using magnification lenses and by checking different positions of the tip inside the cavity. The micrometer was calibrated prior to each measurement by setting it to zero with the tip placed next to the edge of each cavity. The mean depth values were submitted to statistical analysis.
In addition, all preparations were optically checked for carbonization by means of magnification lenses and the surface morphology was observed in the SEM (XL20, Philips, Eidhoven, The Netherlands) at different magnifications.
A 3-way ANOVA test was run to evaluate the influence of the variables air pressure, water flow rate and frequency on the efficacy of the different treatments (microns per second) in enamel and dentin groups. A one-way ANOVA was run to determine if there were differences among groups and Duncan post hoc test to visualize between which groups these differences were detected. The confidence level was set to 95%.
RESULTS
The results of efficiency are presented in Figure 4 for enamel and Figure 5 for dentin.
Frequency
The greatest ablation of dentin and enamel substrate was observed when frequency was set at 25 Hz for enamel and 30 Hz for dentin. At 40 and 50 Hz, the efficiency decreased as a smaller depth of the cavities was recorded.
This drop of efficiency was more important in enamel in both 3 and 4 bar groups, between 25 Hz and 40 Hz. It was found that regardless of any other parameters, laser irradiation at 25 Hz for enamel and 30 Hz for dentin provided the best efficiency within this study.
Water flow
Greater tissue ablation was found in cavities with water flow rate set to low (W2), which decreased by increasing flow (W5 and W8). Although important in the 2 and 3 bar groups, the difference in efficiency between W5 and W8 was much more subtle in the 4 bar group. Similar effects of water flow rate variation were found both in enamel and dentin.
Air pressure
Air pressure was found to have an interaction with the other parameters varied in this study. The 4 bar group showed the most noticeable differences, especially in dentin with a general decrease in ablation rates at higher frequencies. Generally the ablation rate would vary with variation of air pressure while maintaining the same values when changing the other parameters.
When analyzing interactions between all parameters, it was observed that the parameters 4 bar, W2 and 25 Hz showed the greatest ablation for enamel and 2 bar, W2 and 30 Hz for dentin.
Statistical analysis
Air pressure and frequency had a significant effect on ablation efficiency in enamel; meanwhile water flow rate did not have a significant influence on the results (p=0.353).
The overall analysis of the results showed that an air pressure of either 2 or 4 bars, a water flow rate of 2, 5 or 8 and a frequency of 25 Hz provided with the highest results in terms of efficiency. In other words, if a frequency of 25 Hz was
applied, two different air pressures and three different water flow rates provided equally good results.
All three variables had a significant effect on treatment efficiency in dentin. The overall analysis of the results showed that an air pressure of 2 bars, a water flow rate of 2 and a frequency of 30 Hz provided with the highest results in terms of efficiency.
Surface morphology
After examination of the surface morphology with both loupes and SEM, the following was found:
In enamel, irradiation with air pressure set to 2 bars produced cavities with some fissured and fused areas. Raising the setting to 4 bars increased fissures, irregularities, surface fusion and ablation depth. Using 3 bars during irradiation promoted a flatter superficial surface topography exempt of fusion (Figure 6).
The cavities in dentin were checked for burnt spots and irregularities and similar results were observed (Figure 7).
The most efficient settings of 4 bar / W2 / 25 Hz in enamel presented a heavily damaged surface with irregularities, evident fissures and fused areas. For dentin, the best results were obtained with 2 bar / W2 / 30 Hz and the surface morphology presented a few fusion spots and some fissures for these settings.
These observations were common for all samples of the same group.
DISCUSSION
In order to improve efficiency, different parameters of the laser, such as power output and pulse frequency had to be raised, but by increasing the speed of the preparation, side effects on enamel and dentin became more important:
Disintegrations, micro-cracks, loosely bound particles and burnt spots may potentially compromise adhesion and thus increase microleakage of adhesive restorations. This confirms the idea that laser-assisted cavity preparation with efficient parameters must be complemented by finishing with parameters that are less efficient and less destructive.(Bader and Krejci 2006)
This study demonstrated the influence of different parameters on the efficiency for cavity preparation with Er:YAG lasers. The increase of pulse repetition rate had a positive effect on efficiency.(Li, Code et al. 1992) Indeed, a greater amount of tooth substance was removed as the number of microexplosions increased, thus a larger amount of dental substance was removed in less time.(Mehl, Kremers et al. 1997) This demonstrated that the increase in efficiency came rather from the mechanical effect of the microexplosions than from the thermal effect obtained when raising energy parameters.(Mehl, Kremers et al. 1997; Corona, Souza-Gabriel et al. 2008) However, there seems to be a limit in increasing pulse repetition rate. With higher frequencies (40 & 50 Hz), no further gain of efficiency was found and after examination of the surface morphology of the ablated surface in SEM, a lot of wall irregularities, fusion areas and fissures were found by increasing repetition rate. This may be due to the reduced interval between two shots preventing the water spray to wet the surface enough, thus the temperature rises and alterations appear resulting
from thermal effects.(Olivi and Genovese 2007) Since the water spray cannot wet the surface perfectly, thermal effects such as melting become predominant over mechanical tissue removal, resulting in a slower tissue ablation.
Previous studies have already shown the importance of using a water mist spray during tooth tissue ablation with lasers. With water spray, the ablation craters have smooth outlines without thermal damage, which is indicative of an entirely mechanical explosive ablation process. In contrast, when used without water, significant alterations of the surface can were observed, such as carbonization.(George and Walsh 2007) In this study, it was found that the efficiency decreased when increasing the water flow rate, as the cavities produced with water settings of W5 or W8 were shallower than with W3. It was shown in other publications that it is important to have a water layer of sufficient thickness in order to obtain optimal ablation rate, ablation efficiency and surface morphology of the cavity walls.(Staninec, Meshkin et al. 2008) The fact that this study obtained better results with a lower water flow rate can be explained as follows: with an excessively thick water film on the dentine surface, the laser energy is absorbed by the water far from the surface and the vapor microexplosions do not reach the tissue underneath, thus the ablation rate decreases.(George and Walsh 2007) In the SEM, the cavities looked more superficial and without surface damage when a high water delivery rate was used (W8), confirming the drop of efficiency.
In this study it was shown that increasing the amount of water is not enough to increase efficiency, and water flow doesn’t need to be high as shown by Staninec & al(Staninec, Xie et al. 2003) where the optimum water flow rate was 0.09 ml/min with 3 Hz. It can be hypothesized that the most important factor is
not the amount of water but the fine-tuning between frequency and water flow rate. If the interval between shots is long enough, more water will wet the surface and efficiency will be low and if the interval is too short, the available water on the surface will vaporize and the surface will not be re-wetted before the next shot. Thus no further tissue removal occurs and instead, enamel and dentin are heated by the laser energy, which induces thermal damage on the cavity surface.(Burkes, Hoke et al. 1992) Thus in order to increase the efficiency, a high frequency is required but sufficient water is needed between shots.
In this study air pressure was varied in order to enhance water delivery between shots. Cavities prepared with the same frequency and water flow rate but different air pressure setting were compared for efficiency. Some showed better results when increasing the pressure, others showed an increase at first but efficiency then dropped when raised further and others had a decrease of ablation rate when increasing air pressure. This can be explained by the fact that the most important factor for efficiency is the fine-tuning between the different parameters. For each frequency, there might be an optimal water flow rate and if the frequency rises, water cannot wet the surface between shots.
Also when increasing the water flow rate at a low frequency, too much water may remain on the surface and the explosions may not reach the dental tissue.
Since a high frequency is necessary to increase ablation rate, the added air pressure is important so the water is better delivered on the surface between shots. In this way there is less thermal damage on the surface at higher frequencies and the ablation rate is higher.
After SEM examination, cavities in the 2 bar group showed some thermal damage, which can be explained by the difficulty to wet the surface between shots at high frequencies since the air pressure was not very strong. The 4 bars group was the one who presented the most damage on the cavity surface, most likely because the pressure was so strong that the water film broke down.
Finally, the cavities in the 3 bars group were smooth and presented almost no fused areas or fissures. This means that 3 bars offered the best balance for a water film of sufficient thickness and water delivery between shots.
So far, only frequency and water flow rate have been thoroughly investigated in literature. This study showed the influence of a third parameter (i.e. air pressure), which has a direct interaction with the previous ones. This parameter cannot be directly controlled on common Er:YAG lasers on the market but, according to the results of this study, it should be set, at least for the laser evaluated in this study, at 3 bar. Among the tested parameters, 25 Hz / W5 / 3 bar for enamel and 30 Hz / W2 / 3 bar for dentin improved efficiency without major surface damage.
CONCLUSIONS
Within the limits of the present study, it can be concluded that increasing the values of all evaluated parameters did not lead to better efficiency. As consequence, the null hypothesis has to be refused.
Fine-tuning of all parameters in order to get a good ablation rate with minimum surface damage on enamel and dentin, seems to be the key in achieving optimal efficiency for cavity preparation with an Er:YAG laser. The optimization of the balance between the 3 parameters has, then, to be taken into account in clinical works in order to obtain better efficiency and reduction of operative time.
Clinical relevance
Increasing laser preparation parameters do not lead to better efficiency for cavity preparation. Fine-tuning between all parameters is the key to prevent major surface damage and achieve a quick and efficient preparation
REFERENCES
BADER C, KREJCI I
Indications and limitations of Er:YAG laser applications in dentistry.
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Settings Substance Power (mJ) Pressure
(bar)
Flow Freq(Hz)
Number of cavities
Enamel 200 2/3/4 2
5 8
10/25/40 10/25/40 10/25/40
3 3 3
Dentin 100 2/3/4 2
5 8
10/30/50 10/30/50 10/30/50
3 3 3
Table I : Processing parameters used for cavity preparations.
Setting 2 (ml/min)
Setting 5 (ml/min)
Setting 8 (ml/min)
2.0 bar 3.9 8.4 13.4
3.0 bar 5.7 11.0 19.0
4.0 bar 6.8 14.2 22.2
Table II : Water flow rates with the different air pressure settings.
Figure 1 : A slice of 3 mm thickness fixed on an SEM holder by means of a composite resin.
Figure 2 : Representation of the experimental assembly allowing the precise orientation of the sample in the x/y/z-dimensions by means of micrometric screws.
Figure 3 : The laser sapphire tip was positioned perpendicularly to the surface of the sample at a distance of 3 mm.
Figure 4 : Box plots of efficiency in enamel represented as microns per second.
Groups with the same letter are not significantly different (ANOVA, Duncan Post hoc test, p < 0.05).
Bar W Hz
Figure 5 : Box plots of efficiency in dentin represented as microns per second.
Groups with the same letter are not significantly different (ANOVA, Duncan Post hoc test, p < 0.05).
Bar W Hz
Figure 6 : SEM pictures with surface morphology of enamel in three cavities with air pressure setting set to, from left to right: 2 bar, 3 bar and 4 bar with 40 Hz and W5. Irradiation with air pressure set to 2 bars produced cavities with some fissured and fused areas. Raising the setting to 4 bars increased fissures, irregularities, surface fusion and ablation depth. Using 3 bars during irradiation promoted a flatter superficial surface topography exempt of fusion
Figure 7 : SEM pictures with surface morphology of dentin in three cavities with air pressure setting set to, from left to right: 2 bar, 3 bar and 4 bar with 50 Hz and W2. A few fusion spot and fissures were visible in cavities with 2 bar, but when using 4 bar, burnt pots and fissures became more evident. 3 bar provided a flat surface morphology exempt of thermal side effects.
