FEMTONIK

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Mit Laserpulsen gegen KariesDer Femtosekundenlaser als Werkzeug in der Zahnmedizin

In der Zahnmedizin nimmt die subtraktive Materialbearbeitung eine zentrale Stellung ein. Hierzu zählen die Entfernung von zerstörtem, sprich kariö-sem Zahngewebe, sowie das Beschleifen von Zähnen zur Aufnahme von Füllungen und Kronen. Bestehen letztere zudem aus hochwertigen Keramiken, erfolgt deren dreidimensionale Formgebung derzeit mit mehrachsigen NC-Fräsmaschinen. Nichts liegt näher, als die konventionellen Fräser oder diamantierten Schleifkörper vorteilhaft durch einen materialbearbei-tenden Laser zu substituieren. Die punk-tuelle Erhitzung der spröden Materialien Schmelz, Dentin oder Dentalkeramik im Laserfokus verhinderte allerdings bisher eine schädigungsarme Formgebung. La-serstrahlquellen mit Pulslängen im Fem-tosekundenbereich hingegen eröffnen hervorragende Perspektiven, da ther-misch bedingte Schäden – so genannte Kollateralschäden – am Material nahezu ausbleiben. Ein erfolgreicher Einsatz von Femtosekundenlaser in der Zahnmedizin erfordert leistungsstarke Strahlquellen, eine ergonomische und sichere Strahlfüh-rung in den Patientenmund sowie einen effektiven und selektiven Materialabtrag, welche im Rahmen von F&E-Verbund-projekten des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) derzeit realisiert werden.

Der kariöse Zerfall von Zahnhartsubstanz (Schmelz, Dentin) tritt sehr häufig auf: Laut der Gesetzlichen Krankenkassen wer-den in Deutschland pro Jahr rund 50 bis 60 Millionen Zahnfüllungen gelegt. Die Diagnose von Karies erfolgt allerdings bis heute subjektiv mit Spiegel und spitzer Sonde. Nicht einsehbare oder mit der Sonde unzugängliche Bereiche können mit der Diaphanoskopie (Durchleuchtung der Zähne mit intensivem Kaltlicht) oder mit einem Röntgenbild evaluiert werden.

ANTON KASENBACHERDr. Anton Kasenbacher ist praktizierender Zahnarzt. Er wirkte maßgeblich an der Entwicklung eines Dentallasers zum Schweißen von metalli-schen Restaurationsmaterialen mit. Von dem enormen Potenzial von Ultrakurzpulslasern in der Kariestherapie überzeugt, investierte er viel Eigenkapital zur Durchführung erster ei-gener Forschungsarbeiten und zur Finanzie-rung von Auftragsforschung. Die Ergebnisse brachte er als Partner von inzwischen zwei geförderten Verbundprojekten des BMBF erfolgreich ein. In drei Patenten wird er als Erfinder genannt.

DIE AUTOREN

●●Dr. med. dent. Anton Kasenbacher

Obere Hammerstr. 583278 Traunstein

Tel.:+49-861-4692Fax: +49-861-12853E-Mail: a.k@ts-net.de

ABBILDUNG 1: Rasterelektronenmikrosko-pische Aufnahme von mit einem Femto-sekundenlaser bearbeitetem Dentin. Zu sehen ist der scharfe Anschnitt der Dentintubuli (λ = 780 nm; t = 700 fs; E = 100 µJ; Repetitionsrate = 5 kHz). Eine thermisch bedingte Gewebeschädigung ist dagegen nicht zu erkennen.

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MARTIN LEITNERDr. Martin Leitner ist Ent-wicklungsleiter für Laser in der Medizinanwendung im Geschäftsbereich La-sertechnik der JENOPTIK Laser, Optik, Sys-teme GmbH. Er hat an der TU München stu-diert und am Max-Born-Institut in Berlin promoviert. 2001 wechselte er in den Ent-wicklungsbereich der JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbH.

●●Dr. Martin Leitner

JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbHGöschwitzerstr. 25

07745 Jena Tel.: +49-3641-65-3570

E-Mail: martin.leitner@jenoptik.comWeb: www.jenoptik-los.de

PAUL WEIGLDr. Paul Weigl arbeitet als Oberarzt an der Zahnklinik der J. W. Goethe-Universi-tät in Frankfurt am Main. Er ist Koordinator der Ver-bundprojekte MiKaFem (Minimalinvasive und nebenwirkungsarme Kariestherapie mit Femtosekundenlaser) und forceramus (Formgebung hochfester Keramik mit Ultrakurzpulsstrahlquellen zur Herstellung von Zahnersatz) im Rahmen der Projektförderung Optische Technologien durch das BMBF. 2005 gründete er die Firma Automatic Dental Solutions GmbH.

●●Dr. Paul Weigl

Poliklinik für Zahnärztliche ProthetikJ. W. Goethe-Universität Frankfurt am Main

Theodor-Stern-Kai 7, Haus 2960590 Frankfurt am Main

Tel.: +49-69-6301-4787E-Mail: weigl@em.uni-frankfurt.de

Web: www.klinik.uni-frankfurt.de/zzmk/prothetik.htm

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58 LTJ November 2005 Nr. 4 © 2005 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Diese konventionellen Diagnoseverfahren führen zum Teil zu schlecht reproduzierba-ren Befunden am gleichen Zahn. Ein falsch positiver Befund führt zu einem irreversiblen Entfernen von gesundem Zahngewebe, ein falsch negativer Befund belässt kariöses Zahngewebe, das nach unbestimmter Zeit starke Zahnschmerzen aufgrund einer nicht ausheilbaren Entzündung des Zahnmarks verursachen kann.Ein manifester Kariesbefall wird ausschließ-lich mit einer Entfernung des erkrankten Zahngewebes therapiert. Oberstes Ziel hierbei ist ein minimal therapiebedingter Verlust von intakter Zahnhartsubstanz. Für den Abtrag von Schmelz und Dentin haben sich weltweit rotierende Schleifkörper als Standard durchgesetzt. Da ein Schleifkörper nicht beliebig klein gestaltet werden kann, entsteht vor allem bei kleinen kariösen Läsi-onen – insbesondere bei Fissurenkaries – ein hoher Verlust von intakter Zahnsubstanz. Das mechanische und thermische Trauma beim Gewebeabtrag generiert nicht nur zeitgleich auftretende Schmerzen, sondern führt vor allem zu irreversiblen Schäden des Zahnmarks, die laut einer Untersuchung in einer Häufigkeit von 15 % auftreten [1]. Pulverstrahlgeräte zur Entfernung von Ka-ries konnten sich nicht durchsetzen, weil sie keine exakte, vorhersagbare Ausdehnung des Materialabtrags zulassen. Der Einsatz von chemischen Lösungsmitteln bewirkt ausschließlich eine Erweichung von ka-riösem Dentin und erfordert sehr lange Behandlungszeiten. Laserstrahlquellen mit

einer Pulsdauer von mehr als 1 ps erzeugen im Fokus eine Wärme- und Schockwellene-nergie, die zu enormen Kollateralschäden am Zahnhartgewebe führt [2]. Festzuhal-ten bleibt, dass eine reproduzierbare und verlässliche Kariesdiagnostik sowie eine nebenwirkungsfreie Kariesentfernung mit derzeitigen Mitteln nicht möglich sind. Dies führt bei allen Therapieverfahren von Karies zu unnötigem Verlust von gesundem Zahn-gewebe und zur unvermeidbaren, oftmals irreversiblen Schädigung des Zahnmarks. Dental-Keramiken ersetzen die durch die Kariestherapie entfernte Zahnhartsubstanz hervorragend, weil sie den Zahnschmelz in Farbe und Verschleißfestigkeit ideal simu-lieren. Zahnfüllungen oder Zahnersatz aus hochfesten Keramiken werden hierbei aus Blöcken mit NC-Maschinen herausgefräst. Neben der unvermeidbaren Materialschädi-gung [3], die immer mit einer Festigkeitsein-buße einhergeht, sind die kleinen, kom-plex geformten Kauflächen eines Zahnes aufgrund der endlichen Durchmesser von Schleifkörpern nur bedingt herstellbar.

Schädigungsarmer Gewebe- und Keramikabtrag

Die Femtosekunden-Zahnablation ist im Gegensatz zu allen bisherigen Präparations-methoden ein erstmals deterministischer, elektrostatischer sowie nichtlinearer Abtrags-prozess, der durch ein Plasma induziert wird. Dabei werden Laserphotonen in der nur wenige 10 nm dünnen Oberflächenschicht, der so genannten „skin depth“, von stets vorhandenen Elektronen absorbiert als Folge von Spitzenintensitäten im Bereich einiger TW/cm2. Sobald diese Elektronen das Ioni-sierungspotential überschritten haben, setzt der Abtragsprozess per „elektrostatischer Ionenextraktion“ ein [4]. Da der gesamte Vorgang nur Femtosekunden andauert,

findet im Gegensatz zu allen anderen Prä-parationsmethoden nach dem Puls so gut wie kein Energietransfer auf benachbarte Gewebsstrukturen mehr statt. Daraus resul-tieren nicht nur thermischer, sondern auch akustischer Einschluss der Laserenergie (ther-mal and acoustic confinement) und letztlich ultrakurzer minimal-invasiver Materialabtrag ohne Trauma [4]. Bei einer Pulsdauer von 700 fs (λ = 780 nm; E = 100 µJ; Repetitionsrate = 5 kHz) zeigen die Schnittflächen an extra-hierten menschlichen Zähnen einen scharfen Anschnitt der Dentintubuli bzw. der Schmelz-prismen ohne die geringsten Anzeichen einer thermisch bedingten Gewebeschädigung [5] (Abb. 1).Weiterhin ist es möglich während der Kavitä-tenpräparation direkt ein Retentionsmuster mit einzubringen. Diese Oberflächenstruk-tur sorgt für einen deutlich verbesserten Halt von Füllungswerkstoffe und Zementen für einen dauerhafteren Therapieerfolg.Die Kavitäten zeigen:● keine thermo-mechanischen Schädigun-gen in Form von Aufschmelzungen (hot spots) und Rissen bzw. Absplitterungen, wie sie stets bei Präparationen mit Turbine oder Er:YAG- bzw. Er:YSGG-Laser entstehen,● keine bakteriell kontaminierte Schmier-schicht (smear-layer), wie sie ausnahmslos bei allen konventionellen Abtragsverfahren angetroffen wird, und● keine aufliegenden Ablationsprodukte.Die ausbleibende Schädigung des verblei-benden Dentins als auch der berührungs- und vibrationslos erfolgende Gewebeabtrag lassen eine schmerzarme oder -freie Kari-estherapie vermuten. Auch eine Schmerz verursachende Wasserkühlung ist während der Kariesentfernung nicht erforderlich. Erste Thermoanalysen hierzu zeigen, dass im Zahnmark platzierte Thermomess-Son-den erst nach rund einer Minute bei einer nonstop erfolgenden Kavitätenpräparation mit einem leistungsstarken, CPA-freien Fem-tosekunden-Scheibenlaser (Laborsystem der MABEL – Mannheim Biomedical EngineeringLaboratories, λ = 1030 nm; t = 950 fs; E = 80 µJ; Repetitionsrate = 40 kHz, vscan = 2m/s) der kritische Temperaturbereich von 42 °C erreicht wird.Bei der Bearbeitung von Dentalkeramiken konnten z. B. an HIP-Zirkondioxid (Y-TZP) keine relevanten Schädigungen festgestellt werden [6]. Der Vergleich von bearbeiteten Keramikoberflächen mit einer Pulsdauer von 5,3 ps und 100 fs zeigt gravierende Unter-schiede (Abb. 3). Die kurzen Pulse verursa-chen keine Krater mit aufgeschmolzenem Zirkondioxid.

DIE FIRMA

JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbHJena

Die JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbH wurde 1995 gegründet und ist ein 100-prozentiges Tochterunternehmen des Technologiekonzerns JENOPTIK AG, Jena (ISIN DE0006229107). In den Berei-chen Lasertechnik, Optik und Sensorsys-teme entwickelt, fertigt und vertreibt das unternehmen Laserstrahlquellen, optische Komponenten, Module und Systemlö-sungen sowie Technologien zum präzisen Messen, Abbilden, Strukturieren und Analysieren unterschiedlicher Materialien. Neueste Technologien und kundenspezifi-sche Applikationen bilden den Grundstein für den Erfolg des Unternehmens. Weitere Infos unter www.jenoptik-los.com

ABBILDUNG 2: Dentinzapfen zur mikro-mechanischen Verankerung von Füllungs-werkstoffen und Zementen, generiert durch präzisen Gewebeabtrag mit einem Femtosekundenlaser ohne Anzeichen von Kollateralschäden.

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erforderte die Entwicklung eines speziel-len zahnärztlichen Handstücks (Abb. 5; Fa. W&H; www.wh.com). Der Laserfokus scannt hierbei im Bereich des Arbeitsfeldes den Zahn mit einer vorteilhaften Verfahr-wegstrategie ab. Eine starre Fixierung des zahnärztlichen Handstücks am Zahn lässt sogar innerhalb des Arbeitsfelds eine voll-automatische Kavitätenpräparation zur Auf-nahme einer keramischen Füllung zu.

Effiziente Zahn- und Keramikbearbeitung

Sowohl der Gewebeabtrag am Zahn als auch der Materialabtrag an der Dentalkera-mik erfordern für eine effiziente Bearbeitung leistungsstarke Ultrakurzpuls-Strahlquellen mit Impulsdauern im Bereich von weniger als einer Pikosekunde, mit hohen Impuls-energien von 100 µJ (die dabei auftreten-den Pulsspitzenleistungen liegen im Mega-

wattbereich) und mit Repetitionsraten von einigen zehn Kilohertz. Das Prinzip der rege-nerativen Verstärkung mit Scheibenlasern, in Verbindung mit moderner Pockelszellen-technologie bietet die richtige Antwort auf diese Anforderungen.Die Scheibenlasertechnologie [7] konnte bereits Hochleistungslaser und frequenz-konvertierte Laser für industrielle und me-dizinische Anwendungen etablieren. Auch im Bereich der Kurzpulserzeugung spielt der Scheibenlaser in Zukunft eine wichtige Rolle, sind doch durch den Einsatz neuer Kristallmaterialien die Voraussetzungen für eine effiziente Impulserzeugung und Ver-stärkung gegeben.Gegenüber konventionellen Stab oder Slab-geometrien kann beim Scheibenlaser eine Phasenfrontstörung und die damit verbun-dene Strahlqualitätsminderung weitgehend vermieden werden. Dies wird erreicht durch die gute Kühlanbindung des dünnen akti-

Objektive Kariesdiagnose und selektiver GewebeabtragDas bei der Kariesentfernung entstehende Mikroplasma am Bearbeitungsort eröffnet die Möglichkeit einer Spektralanalyse des abgetragenen Gewebes mittels des LIBS-Verfahrens (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy). Die gewonnenen Spektren von gesundem und kariösem Dentin unter-scheiden sich vor allem an der Kalzium-Linie. Kariöses Gewebe zeigt eine geringere Inten-sität als gesundes Dentin. In weiterführende Untersuchungen dient der Vergleich von histologisch evaluiertem Kariesbefall an nativen humanen Zähnen mit der spek-tralen Gewebeanalyse zur Definition eines Rückkopplungsmechanismus (Abb. 4), der den Femtosekundenlaser automatisch bei gesundem Dentin abschalten lässt. Es besteht somit zu jedem Zeitpunkt der Kariestherapie eine verlässliche Information, ob der Laser gerade kariöses oder gesundes Gewebe abträgt. Dabei entfernt der Laser mit einem Puls auch gesundes Dentin zur diagnostischen Auswertung mit der LIBS, doch das abgetragene Volumen (Abb. 4, links) ist um ein vielfaches kleiner als das dia-gnostische Kratzen mit einer Zahnärztlichen Sonde am gesunden Dentin.Die optische Spektroskopie ermöglicht in der Kariestherapie mit kurzen Laserpulsen● eine objektive Diagnose und ● eine selektive Entfernungvon erkranktem Dentin oder Schmelz. Da-mit sind die Voraussetzungen für eine mini-malinvasive Kariestherapie gegeben.Die Strahlführung zum Zahn eines Patienten

ABBILDUNG 3: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von laserbearbeiteter Zirkondioxid-Keramik. Links: Die Oberfläche zeigt Krater mit aufgeschmolzenen ZrO2(t = 5,3 ps, Fluenz = 118 J/cm2). Rechts: Kurze Laserpulse erzeugen keine Aufschmel-zungen (t = 100 fs, Fluenz = 118 J/cm2).

300 350

400 450

500 550

600 650

700 0

10

20

30 34

Diagnosep

unkt

Intensität[a.u.]

Wellenlänge [nm]

ABBILDUNG 4:Links: Zur objektiven Diagnose von Karies (K) entsteht durch den Laserbeschuss (λ = 800 nm; t = 700 fs; Repetitionsrate = 5 kHz) für die optische Spektroskopie ein äußerst geringer Materialabtrag (∅ ≈ 20

µm, die Pfeile zeigen die Diagnosepunkte) bei gesundem Dentin (D). Rechts: Die LIBS-Spektren im Bereich von 300 bis 700 nm von äquidistant verteilten Diagnosepunkten auf einem Zahn.

Die Zuordnung der unterschiedlichen Spektren erfolgt nach histologischen Analysen.

K

D

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mit einem sättigbarem Halbleiterabsorber. Dabei werden Impulsenergien von einigen Nanojoule und Impulsdauern von rund 270 fs erzeugt. Die Repetitionsrate des passiv modensynchronisierten Oszillators liegt bei 50 MHz. Aus diesem Impulszug wird zunächst mittels einer RTP-Pockelszelle ein einzelner Impuls selektiert. Der Einzelimpuls wird nun über die Separationseinheit in den regenerativen Verstärker eingekoppelt. Durch zeitgenaues Zuschalten der BBO-Pockelszelle wird der Impuls im regenera-tiven Verstärker eingeschlossen, um durch wiederholten Umlauf sukzessive verstärkt zu werden. Die relativ geringe Verstärkung des Scheibenmaterials zwingt zu einer hohen Anzahl von Umläufen. Vorteilhaft ist deshalb ein zweifacher Durchgang des Impulses pro Umlauf durch das aktive Material. Jeder Um-lauf erhöht dabei die Impulsenergie, bis sie schließlich um mehrere Größenordnungen über der des Seedimpulses liegt.Infolge des wiederholten Durchtritts durch die BBO-Pockelszelle kommt es zu einer kontinuierlichen dispersiven Verbreiterung des zeitlichen Impulsverlaufs. Diese zeitliche Streckung führt je nach Anzahl der Umläufe zu Impulsdauern von einigen wenigen Pikosekunden. Vorteilhaft wirkt sich dieser Umstand auf die Vermeidung nichtlinearer Effekte aus, da die zeitliche Verbreiterung des Impulses insbesondere bei den hohen Impulsenergien der letzten Umläufe die Pulsspitzenleitung erheblich reduziert. Da-mit können negative Effekte wie SPM oder die Zerstörung der optischen Elemente vermieden werden. Das Konzept kann so-mit auf eine komplexe CPA (chirped pulseamplification) Anordnung verzichten wie sie bislang in Femtosekunden-Strahlquellen

ven Lasermaterials bei einem longitudinalen Wärmabfluss.Kernstück der Scheibenlasertechnologie ist die Pumpanordnung (Abb. 6). Um eine aus-reichende Absorption des Pumplichts in der dünnen Scheibe von wenigen hundert Mi-krometern zu erreichen wird das Pumplicht mehrmals durch einen Parabolspiegel und Umlenkprismen auf das aktive Material ab-gebildet. Diese Anordnung ermöglicht ein effizientes Pumpen mit Hochleistungsdio-den. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die inzwischen erreichte Zuverlässigkeit von Hochleistungs-Halbleiter-Laserdioden mit Lebensdauern im Bereich mehrerer zehn-tausend Stunden. Die Jenoptik Laser, Optik, Systeme GmbH hat bereits 1996 als einer der ersten Laserhersteller mit der Entwicklung der Scheibenlasertechnologie begonnen. Neben Lasersystemen zur Materialbearbei-tung haben sich inzwischen auch Schei-benlaser für die medizinische Anwendung erfolgreich etabliert. Basierend auf dieser Grundtechnologie werden seit kurzem bei der Jenoptik Laser, Optik, Systeme GmbH auch Scheibenlaser für die Kurzpulserzeu-gung entwickelt.Als Scheibenmaterial haben sich neue Ytterbium-dotierte Kristalle als vorteilhaft erwiesen, da sie neben guten thermischen

Eigenschaften auch die nötige Verstärkungs-bandbreite aufweisen, die für eine Verstär-kung ultrakurzer Impulse benötigt wird. Insbesondere Wolframate als Wirtsmaterial stehen hier im Vordergrund [8].Abbildung 7 zeigt den schematischen Auf-bau der Femtosekunden-Strahlquelle. Die Erzeugung der Impulse erfolgt durch einen modensynchronisierten Seedoszillator, ba-sierend auf der Soliton-Impulserzeugung

ABBILDUNG 5: Zahnärztliches Handstück für Femtosekunden-Laserpulse

PumpdiodePrismen

verstärkterStrahl

ParabolspiegelKollimationslinse

Kristall-scheibe

Pump-faser

ABBILDUNG 6: Pumpkonzept des Scheibenlasers, gezeigt an einem 16fachen Pump licht-umlauf.

Kompressor

VerstärkerSeparationPulsselektionseed – Laser

Faradayisolator Faradayrotator

λ/2λ/2TFP TFP

fs-Oszillator(E= 2 nJ)

E = 70 mJf = 50 kHzτ = 500 fs

TFP

λ/4

BBO-Pockelszelle

RTP-Pockels-zelle

Yb:K

YWSc

heib

e

Gitter

Gitter

ABBILDUNG 7: Aufbau eines regenerativen Verstärkers auf Scheibenlaserbasis.

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eingesetzt wurde. Dadurch wird das Laser-system einfacher und stabiler.Nach dem Erreichen der geforderten Im-pulsenergie wird durch Abschalten der BBO-Pockelszelle der verstärkte Impuls ausgekoppelt und nach Durchlaufen des Faradayrotators mit einem Dünnschicht-polarisator vom Seedstrahl separiert. Zur zeitlichen Rekompression des Impulses im Anschluss an die Verstärkungsphase wird eine Anordnung mit negativer Dispersion, bestehend aus einem Gitterpaar (600 l/mm, Littrow-Anordnung) verwendet. Durch einen entsprechend groß gewählten Strahl-durchmesser auf den Gittern kann dabei eine thermisch induzierte Verschlechterung der Strahlqualität weitgehend vermieden werden. Zudem bietet die Dispersionsein-heit die Möglichkeit, durch Überkompensa-tion die Dispersion nachfolgender Optiken zu berücksichtigen, sodass am Ort der Ap-plikation die kürzeste mögliche Impulsdauer erreicht werden kann. Abbildung 8 zeigt die gemessene Autokor-relation der verstärkten und anschließend rekomprimierten Impulse. Die hieraus bestimmte Impulsdauer beträgt rund 500 fs (sech2-Fit). In der unteren Hälfte der gemessenen Autokorrelation erkennt man eine leichte Abweichung vom idealen Kurvenverlauf, der auf nichtlineare Effekte schließen lässt. Damit einhergehend kommt es zu einem nichtlinearen Phasenverlauf, der eine vollständige Rekompression auf das theoretisch kleinstmögliche Bandbreiten-produkt verhindert. So haben die verstärk-ten Impulse in etwa die doppelte Pulsdauer wie die ursprünglichen Seedimpulse.Die Energie des rekompremierten Impulses beträgt bei einer Repetitionsrate von 50 kHz 70 µJ, was einer Durchschnittsleistung von 3,5 W entspricht. Der kontinuierliche Unter-

grund liegt bei weniger als 3% und ist somit unkritisch für die Applikation. Der regenerative Scheibenverstärker erlaubt in Verbindung mit modernen Pockelszel-lentechnologien die Erzeugung hochre-petierender Impulse von einigen hundert Femtosekunden. Das Laserprinzip lässt eine weitere Skalierung der Impulsenergie in den Bereich von mehreren hundert Mikrojoule zu. Die hohe Effizienz eines solchen Laser-systems sowie die sehr gute Stabilität stellen die Grundlage für einen zukünftigen indus-triellen Einsatz dar.Mit Hilfe des Labormusters eines leistungs-starken Femtosekunden-Scheibenlasers vom MABEL-Institut in Mannheim und einem dazu synchronisierten High-Speed XY-Scan-ner (SUPERSCAN-70-Y-15, www.raylase.de) konnten bereits sehr hohe Ablationsge-schwindigkeit (5 mm3/min) an extrahierten Zähnen erzielt werden (Tab. 1).Für den Zahnarzt kann eine völlig ausrei-chende Abtragseffektivität erwartet werden, da● bei diesen Experimenten erst rund 2/3 der möglichen Gesamtdurchschnittsleis-tung des Labormusters zum Einsatz kamen, ● kariöse Zahnhartsubstanzen je nach De-mineralisationsgrad bis zu vierfach schneller ablatierbar sind und ● das Femtosekunden-Scheibenlasersys-tem weiter skalierbar ist.

Zusammenfassung

In der Zahnheilkunde können die spezifi-schen Materialwechselwirkungen zwischen ultrakurzen Laserpulsen und Zahnschmelz/Dentin oder Dental-Keramik aufgrund der minimalen Kollateralschäden vorteilhaft genutzt werden. Ein weiterer essentieller Vorteil besteht in der Nutzung des Femto-

sekundenlasers als Instrument für eine ob-jektive Kariesdiagnose. Das pro ultrakurzen Laserpuls entstehende Mikroplasma des ent-fernten Zahngewebes wird spektroskopisch analysiert und erlaubt eine hochspezifische Differenzierung zwischen kariösem und gesundem Dentin. Der Femtosekundenlaser kann daher als Werkzeug benutzt werden, um entweder Karies selektiv, schmerzarm und minimalinvasiv zu entfernen oder um keramische Zahnrestaurationen aus einem Keramikblock präzise und schädigungs-arm herauszuarbeiten. Für eine effiziente Ablationsgeschwindigkeit eignen sich vor allem Femtosekunden-Scheibenlaser. Die Forschungsarbeiten für diese Publikation werden im Rahmen der Projektförderung Optische Technologien durch das BMBF gefördert.

50 kHz, 70 µJ1

0,8

0,6

0,4

0,2

0–2 –1,5 –1 –0,5 0 0,5 1 1,5 2

500 fs

Zeit in ps

SHG

Inte

nsitä

tin

a.u.

ABBILDUNG 8: Autokorrelation des ver-stärkten und rekomprimierten Impulses (50 kHz, 70 µJ). Die rote Linie zeigt den Fit unter Annahme eines sech2-Verlaufes des Impulses.

ABBILDUNG 9: Zahnkavitäten der Größe 3×3×2,5 mm3, die in 4,5 Minuten nonstop präpariert wurden (Ablationsgeschwindigkeit = 5 mm3/min). Links: Kavität im Schmelz und im Dentin. Rechts: Kavität nur im Schmelz

TABELLE 1: Zahnablationsparameter im Überblick

Wellenlänge 1030 nm

Pulsdauer 950 fs

Pulsenergie 80 µJ

Fokusdurchmesser 70 µm

Fluenz 2,08 J/cm2

Intensität 2,19 TW/cm²

Pulsfrequenz 40 kHz

Durchschnitts-leistung

3,2 W

v-scan 2,0 m/s

Sauerstoffkühlung 5 l/min.

Kavitätengröße 3,0×3,0×2,5 mm3

Präparationsdauer 4,5 min. nonstop

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62 LTJ November 2005 Nr. 4 © 2005 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

DanksagungDie Autoren danken dem BMBF für die Förderung der Verbundprojekte MiKaFem(Minimalinvasive und nebenwirkungsarme Kariestherapie mit Femtosekundenlaser) und forceramus (Formgebung hochfester Keramik mit Ultrakurzpulsstrahlquellen zur Herstellung von Zahnersatz) innerhalb des FEMTONIK-Verbandes (Projektförderung Optische Technologien). Des Weiteren gilt der Dank den Personen K. Barthel, C. Baumeister, A. M. Martinez, M. Niemz, K. Walla, X. P. Nguyen und K. Werelius, die zur Entstehung dieser Publikation beigetragen haben.

Literatur[1] Bergenholtz G, Nymann S., Endodontic

complications following periodontal and prosthetic treatment of patients with advanced periodontal disease, J Periodont 55(2), 63–8 (Feb 1984).

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Voss-de Haan, P.

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2005. 316 S., 58 Abb. Geb.€ 24,90/sFr 40,–. ISBN 3-527-40516-X

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Entscheidungen

2005. 274 S., 30 Abb. Geb.€ 24,90/sFr 40,–. ISBN 3-527-31182-3

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ErlebnisWissenschaftErlebnisWissenschaft■ spannend wie Krimis■ bildend wie Lehrbücher■ faszinierend wie Romane

■ spannend wie Krimis■ bildend wie Lehrbücher■ faszinierend wie Romane