Abstract
Ultrafast laser pulses (≤1 ps) are qualitatively different in the nature of their interaction with materials, including biotissues, as compared to nanosecond or longer pulses. This can confer pronounced advantages in outcomes for tissue therapy or laser surgery. At the same time, there are distinct limitations of their strong-field mode of interaction. As an alternative, it is shown here that ultrafast laser pulses delivered in a pulse-train burst mode of radiant exposure can access new degrees of control of the interaction process and of the heat left behind in tissues. Using a laser system that delivers 1 ps pulses in 20 μs pulse-train bursts at 133 MHz repetition rates, a range of heat and energy-transfer effects on hard and soft tissue have been studied. The ablation of tooth dentin and enamel under various conditions, to assess the ablation rate and characterize chemical changes that occur, are reported. This is compared to ablation in agar gels, useful live-cell-culture phantom of soft tissues, and presenting different mechanical strength. Study of aspects of the optical science of laser-tissue interaction promises to make qualitative improvements to medical treatments using lasers as cutting and ablative tools.
Zusammenfassung
Ultraschnelle Pulse (≤1 ps) unterscheiden sich von Nanosekunden- oder noch längeren Pulsen qualitativ in der Art ihrer Wechselwirkung mit Materialien, einschließlich Biogewebe. Dies kann in der Gewebetherapie oder in der Laserchirurgie von Vorteil sein. Andererseits gibt es klare Einschränkungen hinsichtlich ihrer Starkfeld-Effekte. Als Alternative wird in der vorliegenden Arbeit gezeigt, dass ultraschnelle Pulse, die im sogenannten Burst-Modus der Bestrahlung abgeben werden (d.h. in einer schnellen Folge stoßweise ausgesendeter Impulse oder Pulszüge) dazu beitragen können, den Wechselwirkungsprozess und die dabei erzeugte Wärme besser zu kontrollieren. Dazu wurden die Wärme- und Energietransfereffekte an Hart- und Weichgewebe untersucht, die mittels eines Lasersystems erzeugt wurden, mit dem 1 ps-Pulse in 20 μs-Impulsfolgen mit einer Wiederholrate von 133 MHz abgegeben wurden. Es wird über Ablationsversuche an Dentin und Zahnschmelz unter verschiedenen Bedingungen berichtet, die mit dem Ziel durchgeführt wurden, die Ablationsrate zu evaluieren und auftretende chemische Veränderungen zu charakterisieren. Die Ergebnisse wurden mit der Ablation in Agargels verglichen, die gut als Weichgewebephantome geeignet sind und eine unterschiedliche mechanische Festigkeit aufweisen. Insgesamt verspricht die Untersuchung der optischen Aspekte der Laser-Gewebe-Wechselwirkung eine qualitative Verbesserung von medizinischen Laseranwendungen.
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