Onde elettromagnetiche CAMPO ELETTRICO DIREZIONE DI PROPAGAZIONE CAMPO

Onde elettromagnetiche CAMPO ELETTRICO DIREZIONE DI PROPAGAZIONE CAMPO MAGNETICO

Emissione di onde elettromagnetiche

Molte lunghezze d’onda e colori; le onde viaggiano disordinatamente e non sono in fase

Emissione spontanea Avviene quando l’elettrone eccitato ha eccessiva energia e un fotone o quanto di energia viene rilasciato. L’atomo ritorna nel suo stato stabile con gli elettorni circolanti attorno al suo nucleo Emissione stimolata • Quando i fotoni raggiungono una certa intensità essi riescono ad uscire dallo specchio semiriflettente in un unico raggio monocromatico ed in fase (emissione stimolata di atomi tutti eguali e perfettamente in direzione rettilinea )

EMISSIONE SPONTANEA e¯ e¯ P 1 + + + EMISSIONE STIMOLATA e¯ e¯ P 1 e¯ + + P 2

I lampi luminosi di luce policromatica ed incoerente prodotti dalla lampada flash che circonda il rubino eccitano gli atomi di cromo che spostano i loro elettroni dell’ultima orbita in una posizione più esterna, cui corrisponde una maggiore energia. Normalmente questi elettroni restituiscono l’energia ricevuta sotto forma di fotoni tutti con la stessa energia luminosa (stesso colore), ma diretti in ogni direzione. QUESTA E’ L’EMISSIONE FOTONICA DI TIPO NATURALE.

EMISSIONE STIMOLATA Quando i fotoni di luce monocromatica vengono generati si vengono a trovare intrappolati in una struttura risonante costituta dai due specchi paralleli di cui uno è riflettente ed uno semiriflettente, che li costringono ad andare avanti ed indietro molte volte in linea retta. Questi fotoni passando vicino agli atomi eccitati producono l’emissione di altri fotoni che sono della stessa frequenza e fase, costretti ad oscillare fra i due specchi, che costituisce una cavità risonante ottica.

• ENERGIA • Si misura in Joules (J) • Il flusso di energia e’ la quantità di energia prodotta sulla superficie per cm 2 (J/cm 2) • POTENZA • Rappresenta l’intensità alla quale l’energia viene prodotta • Si misura in Watt (W) • La densità è la potenza applicata sulla superficie (W/cm 2)

DENSITA’ DI POTENZA DENSITA’ DI = ENERGIA Potenza (Watt) = Area ( cm 2 ) Potenza ( Watt ) Area ( cm 2 ) X T(Sec. )

LUNGHEZZA D’ONDA CRESTA AMPIEZZA VENTRE

LUNGHEZZA D’ONDA E FREQUENZA DI ONDE A CONFRONTO Lunghezza d’onda Corta *Alta Frequenza Ampiezza Frequenza Lunghezza d’onda lunga *Bassa Frequenza

PRIMO LASER REALIZZATO NEL 1960 DA UN RICERCATORE AMERICANO T. N. MAIMAN E’ la continuazione nel campo ottico del MASER, amplificatore a microonde funzionante all’elio liquido.

COMPONENTI DEL LASER Cavita’ ottica Risonante mezzo attivo Specchio riflettente Specchio semiriflettente Sorgente di energia esterna

I primi laser sperimentali utilizzavano come materia prima un rubino posto fra due specchi paralleli e circondato da un tubo di vetro contenente gas che veniva sottoposto a scariche luminose di tipo impulsivo.

La luce bianca come quella solare è costituita da tutti i colori dell’iride

Il raggio laser è monocromatico, ha un solo colore cioè una sola frequenza

LUCE BIANCA NON COERENTE AMPIO SPETTRO NON-COLLIMATA LASER COERENTE MONOCROMATICA COLLIMATA

POTENZA • Il raggio laser può essere emesso in modo continuo senza alcuna interruzione CONTINUO TEMPO

il raggio laser è costituito da impulsi che si ripetono nel tempo con una determinata frequenza. POTENZA PULSATO TEMPO

I LASER possono essere differenziati in base CONTINUO POTENZA alle modalità di emissione della radiazione. PULSATO POTENZA TEMPO

Principio attivo Lunghezza d’onda Modalità emissione Ar. F 193 nm 10 - 20 ns Xe. Cl 308 nm 20 - 300 ns Xe. F 351 nm 10 - 20 ns Dye Laser 450 - 900 nm continuo o pulsato Argon 488 - 514 nm continuo Krypton 531 - 568 - 647 nm continuo Free electron laser 800 – 6000 nm 2 - 10 ps He-Ne 633 nm continuo Diodo laser 670 – 900 nm continuo o pulsato Rubino 694 nm 1 - 250 μs Alexandrite 720 – 800 nm 50 ns - 100 μs Nd: YFL 1053 nm 30 - 100 ps Nd: YAG 1064 nm 30 - 100 ps Nd: YAP 1364 nm 100 - 250 μs Ho: YAG 2110 nm 100 - 250 μs Er: YSGG 2780 nm 100 - 250 μs Er: YAG 2940 nm 100 - 250 μs CO 2 9600 - 10600 nm continuo o pulsato

SPETTRO ELETTROMAGNETICO Alexandrite KTP Ruby Diodo UV VISIBILE 400 10600 2940 980 1064 755 694 577 -630 532 390 - 190 RAGGI X Er: YAG Nd: YAG Argon 514 - 488 Excimer CO 2 INFRARROSSI 700 MICRONDE RADIO

5 W 3 W 1 W 100 s 150 s

Seconda parte del corso : INTERAZIONE LASER TESSUTI CON I

INTERAZIONE LASER-TESSUTI ð i parametri fisici utilizzati con la materia vivente non sono dissimili da quelli in uso nelle ricerche riguardanti l’interazione delle onde elettromagnetiche con la materia anche non vivente; ð non é possibile individuare per ciascun laser e per ciascun tessuto un effetto singolo ma si determina sempre un effetto prevalente ed effetti secondari; ð le varie interazioni possono avere sui tessuti effetti positivi o negativi, favorevoli o dannosi, in relazione al tipo di tessuto ed alla situazione obbiettiva in cui quel tessuto si trova in un determinato momento. ð nella bocca, le distanze fra vari tipi di tessuto (dente, legamento, osso, gengiva) sono minime;

INTERAZIONE DELLA LUCE LASER SUL TESSUTO UMANO LUCE LASER Riflessa Trasmessa LUCE LASER Assorbita Diffusa

DENSITA’ DI POTENZA A Fuoco Defocalizzato ØPunto focale Ø Superficie Lente Ø Potenza ØManipolo t n u P ale c o F o superficie

MANIPOLI COLLIMATI MANIPOLI FOCALIZZATI

Radiazioni Laser

ALCUNE INDICAZIONI SULL’USO DEL LASER I cosidetti "soft laser" in campo odontostomatologico hanno proprietà biostimolanti, antinfiammatori e soprattutto antalgiche. I laser definiti “power laser” hanno un elevato effetto di taglio e trovano una ampia applicazione sia in campo conservativo che chirurgico.

Quali possibili effetti terapeutici : - vasodilatazione sia capillare che arteriolare - azione antiflogistica, antiedemigena, antalgica - aumento dei leucociti e delle loro attività fagocitarie -stimolazione del metabolismo cellulare e proliferazione fibroblastica nelle lesioni - modificazione della pressione idrostatica intracapillare - maggiore assorbimento dei liquidi interstiziali - aumento della soglia di percezione dei nocicettori -- stimolazione del ricambio elettrolitico del protoplasma cellulare - stimolazione del sistema immunitario - aumento della temperatura locale - azione antibatterica.

• Proprietà ottiche dei tessuti • Modalità di reazione del tessuto allo stimolo dell’energia luminosa • La conduzione tessutale del calore • La dispersione del calore • L’eventuale risposta infiammatoria del tessuto • La vascolarizzazione del tessuto • I meccanismi di riparazione tessutale

Generatore flash S 1 S 2 Cavità ottica Calore 10 % Profilo del raggio

COERENZA Le onde luminose sono sempre in fase tra di loro con stessa frequenza. MONOCROMATICITA’ La luce laser e’ composta da onde elettromagnetiche di una sola lunghezza d’onda caratteristica della particolare sostanza o GAS stimolato. UNIDIREZIONALITA’ A differenza di una comune sorgente luminosa (ad es. il sole), la luce laser si espande in una sola direzione. BRILLANZA A differenza di una comune lampadina, la concentrazione della luce laser in un solo punto, permette di raggiungere energie enormi.

Può essere realizzata partendo da due fenomeni fisici distinti: • la riflessione totale • l’effetto di curvatura della traiettoria del raggio che si propaga in un mezzo disomogeneo

v interagire con il tessuto da trattare senza danneggiare il tessuto sano vicino; v utilizzare la minima quantità di energia necessaria per ottenere l’effetto clinico desiderato.

v Iniziale penetrazione della luce conseguente deposizione di energia a livello del tessuto assorbente; v Diffusione dell’energia termica; v Evaporazione superficiale dell’acqua; v Disidratazione del tessuto; v Innalzamento della temperatura; v Vaporizzazione esplosiva. v Carbonizzazione (in seguito alla disidratazione)

FATTORI INERENTI ALLA LUCE LASER • La P. D. del raggio • Le caratteristiche temporali del raggio (pulsato) e la durata della pulsazione • La velocità della pulsazione FATTORI ATTRIBUIBILI ALLA STRUMENTAZIONE • Contatto o non contatto della fibra • Raggio focalizzato o defocalizzato

Ø Specifica lunghezza d’onda dell’emissione laser Ø Caratteristiche ottiche del tessuto bersaglio

VARIABILI LASER SOTTO IL CONTROLLO DELL’OPERATORE Potenza applicata (power density) Dimensione dello spot Fluenza Modalità di lavoro in rapporto al tessuto target (pulsato, contatto, non contatto)

PROPRIETA’ OTTICHE DEI TESSUTI E SPECIFICITA’ DELLA LUNGHEZZA D’ONDA INTERAZIONE RIFLESSIONE TRASMISSIONE ASSORBIMENTO DISPERSIONE

A causa dei fenomeni di assorbimento e dispersione che si determinano in concomitanza con i fenomeni di rifrazione, non é facile determinare l’indice di rifrazione stessa per i vari tipi di tessuto.

Durante l’assorbimento si verificano: diminuzione della intensità del raggio laser generazione di fenomeni vibrazionali a carico delle molecole conseguente conversione dell’onda elettromagnetica in calore

Caratteristica dell’assorbimento é la SELETTIVITA’ A acqua (Er: YAG) A pigmenti (melanina, emoglobina - Nd: YAG) A idrossiapatite (CO 2)

Capacità del tessuto di assorbire energia elettromagnetica costituzione elettronica dei suoi atomi e molecole lo spessore della superficie assorbente la temperatura del tessuto la presenza di fattori favorenti l’assorbimento il grado di idratazione del tessuto

DISPERSIONE (Scattering) Non é un fenomeno assoluto ma dipende da tipo di tessuto situazione obbiettiva in cui quel tessuto si trova in quel momento

Jaywant S, Wilson B e coll. Temperature dependent changes in the optical absorption and scattering spectra of tissues: correlation with ultrastructure. Laser-Tissue Interaction IV, Spie vol. 1882, 1993, pp. 218 -229 Gli autori hanno dimostrato come il coefficiente di scattering del tessuto può variare al variare della temperatura, a causa dei mutamenti ultrastrutturali che avvengono all’interno del tessuto

EFFETTI SUI TESSUTI DELLA RADIAZIONE LASER Interazione Fotochimica Fototermica Fotoelettrica Fotomeccanica

INTERAZIONE FOTOCHIMICA Un raggio di una specifica lunghezza d’onda viene assorbito dai cromofori conseguente reazione biochimica a livello cellulare • BIOSTIMOLAZIONE • TERAPIA FOTODINAMICA • FLUORESCENZA

INTERAZIONE FOTOCHIMICA ESEMPI DI INTERAZIONE FOTOCHIMICA Fotosintesi clorofilliana Abbronzatura

INTERAZIONE FOTOCHIMICA BIOSTIMOLAZIONE Cicatrizzazione Riparazione Effetti antalgici Disturbi articolari - ATM Effetto miorilassante

Campi di utilizzo dei Soft Laser in Odontoiatria • Trattamento della sensibilità dentinale • Guarigione di ferite dopo estrazioni, chirurgia parodontale • Lesioni erpetiche o afte • Riduzione della risposta infiammatoria dopo preparazione profonda di cavità • Pulp tester pulpiti irreversibili • Iper-analgesie per otturazione di classe I o II in pazienti adulti e bambini (non ago, non labbro intorpidito) • Analgesia per cementazione di corone • Diminuzione della risposta infiammatoria dopo chirurgia maxillofacciale, artrocentesi • Trattamento del Trigger point nelle lesione dell’ATM • Scaling profondo e curettage sub gengivale • Riduzione della risposta infiammatoria post endodonzia • Riduzione dell’edema post operatorio in implantologia e favorire la rigenerazione ossea perimplantare 4 -8 J 6 -10 J 4 J 2 J 6 -8 J 8 -10 J 8 -20 J 2 J 8 -20 J

TERAPIA FOTODINAMICA Utilizzazione di un Fotosensibilizzatore (Hp. D) che viene iniettato in vena

FLUORESCENZA Si determina quando l’energia della luce viene assorbita da specifiche molecole o componenti tessutali che successivamente rilasciano l’energia sotto forma di luce.

Ka. Vo DIAGNOdent (635 nm)

EFFETTI DEL LASER SULLA DENTINA 1 VOLATILIZZAZIONE (200 micron) 1100 C° 2 AFFEZIONE TERMICA NECROSI CELLULARE (200 micron) 1200 C° 3 TESSUTO SANO

COMPOSIZIONE DEL DENTE

DIODO ND Circa 3 cm Circa 6 cm CO 2 AR Circa 1 mm Circa 1. 5 mm

INTERAZIONE FOTOTERMICA Si determina per trasformazione dell’onda laser in calore. Rimozione tissutale per vaporizzazione del tessuto e super riscaldamento dei fluidi tissutali. FATTORI CHE INFLUENZANO L’ASSORBIMENTO DI ENERGIA • lunghezza d’onda • parametri e tipologia dello spot • densità di potenza • durata della pulsazione • frequenza della pulsazione • proprietà ottiche del tessuto • composizione del tessuto

HA HA ACQUA

Si determina per trasformazione dell’onda laser in calore. Rimozione tissutale per vaporizzazione del tessuto e super riscaldamento dei fluidi tissutali Trasformazione in energia • Trasformazione dell’energia fotonica in eccitazione molecolare (elettroni) • Diffusione della energia ai tessuti circostanti • In rapporto alla conducibilità termica, possibili danni ai tessuti adiacenti

Rapporto TRT – Lunghezza d’onda

Il massimo picco di assorbimento dell’acqua corrisponde al minimo TRT(tempo di rilassamento termico)

POSSIBILI FATTORI DI DANNO ¬ Disidratazione tissutale ¬ Carbonizzazione ¬ Coagulazione del sangue ¬ Denaturazione delle proteine

INTERAZIONE FOTOTERMICA VARIABILI DI DANNO TERMICO • Dimensione dello spot (attenzione al raggio focalizzato) • Durata di esposizione • Velocità di ripetizione dell’impulso • Durata dell’impulso

INTERAZIONE FOTOTERMICA 45 °C Vasodilatazione, danno epiteliale e morte delle cellule 50 °C Scomparsa della attività enzimatica 60 °C Disorganizzazione delle membrane cellulari, denaturazione delle proteine 70 °C Denaturazione del collagene e permeabilizzazione delle membrane 80 °C Contrazione delle fibre collagene, necrosi 100 °C Vaporizzazione dell’acqua, disidratazione totale >100 °C Volatilizzazione dei costituenti organici 100 -200 °C Frammentazione molecolare, carbonizzazione 200 -300 °C Generazione di fumi, combustione

Profondità di penetrazione del raggio • proprietà fisiche del tessuto bersaglio • lunghezza d’onda • densità di potenza del raggio d’emissione • degradamento (coefficiente d’attenuazione)

Degradamento o attenuazione Il raggio perde gradatamente la sua intensità a mano che penetra all’interno del tessuto La legge di Lambert e Beer stabilisce che: l’assorbimento dell’intensità del raggio é direttamente proporzionale alla concentrazione degli elementi assorbenti. Esiste una distanza specifica alla quale la densità di potenza del raggio si riduce ad un livello tale da non riuscire più a dare alcun tipo d’interazione. Tale distanza é definita: PROFONDITA’ D’ESTINZIONE

INTERAZIONE FOTOACUSTICA Azione di tipo fotomeccanico Determinata da impulsi molto brevi che provocano nei tessuti un aumento di pressione e formazione di vere e proprie onde acustiche

In presenza di onde acustiche Uno spot grande, anche a bassa fluenza, può determinare un danno grave a livello del tessuto

Formazione di forze tensili o compressive che determinano lesione tissutale indipendentemente dalla produzione di calore

• INCISIONE • ABLAZIONE • COAGULAZIONE • STERILIZZAZIONE • SALDATURA DEI TESSUTI

Divisione in classi dei Laser Classe 1 2 3 A 3 B 4 Innocui, intrinsecamente sicuri, anche in caso di errori di manipolazione; possono essere esclusi tutti gli effetti dannosi, ovvero la radiazione è inaccessibile.

Divisione in classi dei Laser Classe 1 2 3 A 3 B 4 L’esposizione oculare diretta alla radiazione non deve causare alcun effetto dannoso. Laser solo nel campo del visibile con potenza, a regime continuo, non superiore a 1. 0 m. W.

Divisione in classi dei Laser Classe 1 2 3 A 3 B 4 Laser a fascio allargato di forma circolare o lineare. Le radiazioni che possono penetrare nell’occhio sono tipo classe 1, se la radiazione è nell’invisibile, tipo classe 2 se visibile.

Divisione in classi dei Laser Classe 1 2 3 A 3 B 4 Laser che in regime a emissione continua non devono superare 0. 50 W di potenza. La visione di riflessi diffusi non deve causare alcun effetto dannoso (ad esempio per proiezione su una parete bianca).

Divisione in classi dei Laser Classe 1 2 3 A 3 B 4 Laser che non appartengono alle classi precedenti. Sono laser senza limite superiore di potenza. Raggio e riflessioni sono pericolose per gli occhi e la pelle. Possono agire sui materiali determinando liberazione di sostanze nocive o causare incendi.

RISCHIO DA RADIAZIONI LASER La norma internazionale IEC-825 definisce: • la classificazione delle apparecchiature laser secondo il grado di pericolosità della radiazione accessibile • i valori massimi ammissibili della Esposizione Massima Permessa (EMP) per la visione diretta del raggio laser

Provvedimenti amministrativi di protezione e controllo § Certificazione rilasciata da Esperto Qualificato (Normativa 626) § Nomina di un addetto alla sicurezza laser § Formazione del personale

Norme di protezione e sicurezza • Locale predisposto e segnalato • Utilizzo limitato alle persone autorizzate • Operatore responsabile della sicurezza • Protezione oculare adeguata • Controllo sempre possibile del fascio • Laser spento e chiave rimossa se incustodito • Controllo immediato specialistico in caso di esposizione oculare accidentale

Solidi Liquidi Teleria Etanolo Prodotti di carta Acetone Plastica Metilmetacrilati Cere e resine Solventi Gassosi Ossigeno Protossido d’azoto Anestetici generali Vapori aromatici

FINE • NON E’ FINITA QUI. • CI VEDIAMO AL PROSSIMO CORSO AVANZATO

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