Alessandra Piras, Livia Montagna, Fabrizio Montagna

(1)

TAGETE 3-2010 Year XVI

443

HISTORY AND EVOLUTION OF THE LASER THERAPY IN ODONTOSTOMALOGY

STORIA ED EVOLUZIONE DEL LASER IN ODONTOIATRIA

Alessandra Piras, Livia Montagna, Fabrizio Montagna^*

La parola laser è un acronimo di light amplification by stimulated emission of radiation (amplificazione delle luce per emissione stimolata di radiazione), tecnologia introdotta in medicina negli anni sessanta del 900, che ha ampliato gli orizzonti diagnostici e terapeutici in diversi.

In particolare in otoiatria oggi si utilizzano vari tipi di laser (prevalentemente erbio:Yag, neodimio:Yag, diodi) nelle branche della conservativa, dell’endodonzia, delle chirurgia orale, in parodontologia e chirurgia orale.

Questo articolo intende riassumere la storia e l’evoluzione del laser, i principi di funzionamento, le indicazioni cliniche e accennare ai problemi in tema di sicurezza sul lavoro e responsabilità professionale per lesioni a pazienti e operatori.

SCOPERTA ED EVOLUZIONE DEL LASER

È opinione diffusa degli storici della scienza che la maggior parte delle scoperte vadano interpretate non tanto come l’opera di un unico autore, quanto come il risultato dello sviluppo sequenziale di teorie; situazione emblematica che trova conferma nella storia del laser (5, 12).

Nel 1873 J.C. Maxwell unificò i fenomeni elettrici e magnetici nella teoria unica

*Scuola di specializzazione in Ortodonzia, Università degli Studi di Cagliari, direttore Prof. Vincenzo Piras

(2)

444

dell’elettromagnetismo; ne derivarono alcune osservazioni sperimentali (radiazione del corpo nero, effetto fotoelettrico) irrisolvibili mediante i principi della fisica classica newtoniana, che si rivelava applicabile al macrostato ma non al microstato

La soluzione di tali problemi aprì un percorso, che portò alla scoperta del laser, a seguito della scoperta e della comprensione di concetti come la la meccanica quantistica di M. Planck (1901), l’emissione stimolata di A. Einstein (1905) e il modello atomico planetario di N. Bohr (1913).

Negli anni trenta esplose la tecnologia delle onde elettromagnetiche e, subito dopo la fine del conflitto mondiale, che incrementò la ricerca su microonde e radar, si scoprirono il transistor e la risonanza magnetica. Principi e apparecchiature che aprirono la strada alla creazione del MASER, acronimo di Microwave Amplification by Satimulated Emission of Radiations (amplificazione di microonde da emissione stimolata di radiazione).

Il primo maser ad ammoniaca fu realizzato nel 1954, da un gruppo di lavoro diretto da C.H. Townes (Columbia University), nell’ambito di una ricerca finanziata per aumentare la frequenza di operazione dei radar.

La potenza era appena di 0,01 microwatt e sviluppava molto calore; ma il maser aveva la caratteristica di emettere fotoni in modo coerente (frequenza pura), fatto che che lo rendeva un ottimo candidato per gli studi di spettroscopia molecolare e per la costruzione di orologi atomici.

Il maser rappresentò il precursore del laser, nella misura in cui numerosi ricercatori cominciarono a pensare a differenti sistemi per la produzione di popolazioni invertite nella regione dell’infrarosso e del visibile.

Il primo laser fu realizzato nel luglio del 1960 da T. Maiman nei laboratori di

(3)

445

ricerca Hughes (Carolina, USA), utilizzando come materiale attivo il rubino.

Tale applicazione ebbe l’effetto di catalizzatore nel mondo scientifico, stimolando la proliferazione di numerosi sistemi, derivati dalla comprensione che praticamente ogni sostanza, aria inclusa, poteva essere utilizzata per costruire un laser.

Nel 1960 da P. Sorokin e M. Stevenson (Research center IBM, New York) costruirono un laser che utilizzava l’uranio in cristalli di fluoruro di calcio; mentre A.

Javan (Bell Laboratories, USA) realizzava contemporaneamente il primo laser elio-neon (He-Ne).

La successiva evoluzione fu rapida: nel 1961 furono costruiti il laser al cesio, al neodimio e ai coloranti organici (dyes laser); nel 1962 il laser a diodi; nel 1964 il laser a CO2; nel 1965 i laser chimici e a vapori metallici; nel 1970 le fibre ottiche cave.

Le prime applicazioni pratiche risalivano all’inizio degli anni sessanta prima in ambito militare e poi civile, arrivando oggi a coprire numerosi campi come: trasmissione di energia, misurazioni, produzione e lavorazioni industriali, spettacolo, telecomunicazioni, meteorologia, geofisica, chimica, ricerca e medicina.

Nell’ambito della medicina sin dal 1962 si iniziò a utilizzare il laser argon in oculistica per fotocoagulare le retinopatie; negli anni settanta il laser a CO2 fu introdotto in chirurgia addominale e ginecologia, negli anni novanta in chirurgia plastica ed estetica.

Per quanto riguarda l’odontoiatria nel 1971 J.A.Weichmann eseguì la prima applicazione in endodonzia con un laser ad anidride carbonica, cercando di realizzare il sigillo apicale.

Nel 1972 iniziò ad applicare il laser a neodimio:Yag e il laser a diodi fu introdotto in odontoiatria verso la fine degli anni ottanta.

Il trattamento dei tessuti duri progredì nel 1989 con la commercializzazione del

(4)

446

laser a erbio pulsato e nel 1997 all’erbio-cromo; mentre nello stesso anno l’American Dental Association approvava il laser all’erbio.

MECCANICA DEL LASER

Nel modello dell’atomo di Bohr, gli elettroni occupano le orbite più vicine al nucleo in una situazione minima di energia, detto stato fondamentale.

A seguito dell’assorbimento, di una qualunque forma di energia, gli elettroni passano a orbite di diametro maggiore (stato eccitato), in quanto aumenta l’energia cinetica di rotazione degli elettroni.

E’ sempre possibile per gli elettroni tornare su orbite interne (diseccitazione) mediante emissione di energia, sotto forma di radiazioni elettromagnetiche.

La teoria quantistica suggerisce che l’energia emessa o assorbita in questi passaggi (transizioni) è ripartita in quantità discrete (quanti), che nel caso specifico della luce sono costituiti dai fotoni.

Le normali sorgenti luminose visibili sono soggette a un fenomeno di emissione spontanea di fotoni, che si verifica in seguito al decadimento del livello energetico degli atomi eccitati.

Le radiazioni sono emesse in modo disordinato senza alcuna correlazione tra livelli energetici e lunghezze d’onda, determinando le caratteristiche tipiche delle luce:

incoerenza, policromaticità, divergenza.

Il principio del laser si basa sul fenomeno dell’emissione stimolata di fotoni da parte di atomi eccitati; energia che viene trasmessa in condizioni di coerenza, cioè su un’unica lunghezza d’onda e frequenza, in perfetta concordanza di fase fra tutte le onde emesse.

In questo senso è stato detto che il laser differisce dalla luce come il suono dal

(5)

447

rumore.

Per ottenere l’emissione di radiazione laser, si somministra energia di alimentazione (pompaggio), in forma specifica di radiazione elettromagnetica coerente;

cioè con quantità di energia di entità pari alla differenza tra i livelli energetici dell’atomo.

In tal modo si ottiene l’inversione della popolazione degli atomi del mezzo attivo;

situazione che consiste nel realizzare la prevalenza di stati energetici elevati su quello fondamentale.

La situazione ottenuta è instabile e alla cessazione del pompaggio si ristabilisce immediatamente l’equilibrio termodinamico, prossimo allo stato fondamentale, mediante emissione di fotoni.

Dopo il primo urto ogni fotone continua il suo cammino e ripete il fenomeno a ogni successiva collisione, generando ulteriori fotoni, con caratteristiche identiche a quelle del fotone incidente; ne deriva l’emissione di radiazioni elettromagnetiche caratterizzata da coerenza, monocromaticità e collimazione o direzionalità.

Gli elementi costitutivi del laser sono rappresentati da (figura 1, 2, 3):

- un mezzo attivo, formato da un materiale che permette il passaggio delle radiazioni e drogato con atomi dell’elemento, che viene portato allo stato eccitato e rilascia la radiazione

- una cavità di risonanza (risonatore ottico) di lunghezza multipla rispetto la lunghezza d’onda del laser, con due specchi parabolici in modo da riflettere le radiazioni tra le due estremità e una sottile feritoia a un estremo per fare uscire solo raggi paralleli tra loro e coerenti

- un sistema di pompaggio che è la sorgente di energia per eccitare il mezzo attivo, rappresentata da lampade flash, scariche elettriche, un altro laser

(6)

448

- un sistema di conduzione delle luce rappresentato da una fibra ottica (diodi, neodimio:Yag) o un braccio articolato (CO2, Erbio:Yag).

(7)

449

Figura 1 – Schematizzazione delle componenti del laser

Figura 2 – Riflessioni multiple ed emissione di radiazione ottica perpendicolare agli specchi e coerente

Figura 3 - Schematizzazione di un laser a stato solido con pompaggio

(8)

450

Figura 4 – Spettro elettromagnetico dei principali laser

TIPI DI LASER E INTERAZIONI CON I TESSUTI

Il laser produce i suoi effetti quando l’energia emessa è assorbita dall’acqua dei tessuti biologici e produce l’istantanea vaporizzazione dei liquidi intracellulari, generando vapore in pressione in grado di distruggere le strutture disidratate (tabella 5).

Contemporaneamente vi è il rischio di trasmettere, per conduttività termica, calore nell’intorno delle zona irradiata potendosi raggiungere temperature di 200-1000°C.

Il rischio è comunque limitato considerando che la profondità di azione nel laser a diodi è ridotta a 2-5 strati cellulari e permette un controllo superiore all’elettrobisturi (circa 400 strati cellulari) e al più sofisticato bisturi a radiofrequenza, mantenendo il vantaggio di operare in campo esangue.

(9)

451

Tabella 5 – Modificazioni istologiche prodotte dai processi fototermici 43-45°C Cambiamenti conformazionali

Restringimento

Ipertemia (mortalità cellulare) 50°C Riduzione dell’attività enzimatica 60°C Denaturazione delle proteine

Coagulazione

Denaturazione del collagene

Permeabilizzazione delle membrane 100°C + Formazione vacuoli extracellulari

>100°C Rottura dei vacuoli

300-1000°C+ Termoablazione del tessuto 3350°C Vaporizzazione del carbonio

Le radiazioni possono essere emesse costituendo un fascio costante nel tempo (emissione continua) oppure modulate secondo impulsi alternati da pause: modalità pulsata nell’ordine di millisecondi e super pulsata in nanosecondi.

La durata breve dell’impulso è associata alla necessità di evitare il danno termico (periodo di rilassamento termico dei tessuti) e alla possibilità di eseguire piccoli interventi senza anestesia; in quanto le pulsazioni sono di durata inferiore ai tempi di percezione dei recettori sensoriali.

In odontoiatria si utilizzano vari tipi di laser allo stato solido nello spettro dell’infrarosso, aventi diverse lunghezze d’onda e indicazioni come riportato nelle tabelle 6 e 7 (1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9 10, 11, 13).

(10)

452

Tabella 6 – Tipi di laser utilizzati in odontoiatria

Tipo Mezzo attivo L. onda (nm) Spettro Indicazioni Ga-AS-Al Diodi di arseniuro di

gallio e alluminio 808-980 Infrarosso Tessuti molli Nd:YAG Barretta di granato d’ittrio

e alluminio drogata al neodimio

1064 Infrarosso Tessuti molli

Er:YAG Barretta di granato d’ittrio e alluminio drogata all’erbio

2940 Infrarosso Denti, osso

Tabella 7 – Indicazioni dell’odontoiatria laser-assistita

LASER APPLICAZIONI

Tessuti molli Diodi

Nd:Yag

Patologia orale

Aftosi, angiomi, epulidi, fibromi, herpes labialis, leucoplachie, lichen orale, mucocele, papillomi, neoplasie benigne

Parodontologia

Gengivectomie, gengivoplastiche, decontaminazione e trattamento tasche parodontali

Protesi

Condizionamento sulculare per impronte Implantologia

Decontaminazione superfici implantari, perimplantiti, mucositi, riapertura fixture

Chirurgia orale

Frenulectomie, opercolectomie, decontaminazione aree infette Tessuti duri

Diodi Nd:Yag

Conservativa ed endodonzia

Decontaminazione canali e fondo cavitario, ricondizionamento dentinale (vetrificazione)

Igiene orale

Sbiancamento, ipersensibilità dentinale Endodonzia

Incappucciamento diretto (causticazione), disinfezione canali radicolari

Tessuti duri

Er:Yag Conservativa

Preparazione cavitaria, ricondizionamento dentinale (vetrificazione), displasie dello smalto

(11)

453

Igiene orale

Ipersensibilità dentinale

NORME DI SICUREZZA E RISCHI DI LESIONI

L’azione diretta del raggio laser può essere lesiva nei confronti degli occhi e della pelle (tabella 8).

In particolare, quando sono colpiti gli occhi, il potere focalizzante della retina aumenta di cinque volte l’esposizione incidente, potendo causare, in base all’intensità e alle modalità di somministrazione delle radiazione le seguenti lesioni: addensamenti di pigmento, discromie, cataratta, cheratocongiuntiviti, ustioni corneali e retiniche.

Se la potenza irradiata è abbastanza forte può procurare danni cutanei del tipo eritemi e ustioni.

Circa il 20% dei 400 incidenti correlati all’uso del laser, segnalati nel mondo tra il 1964 e il 2001, attengono personale medico e il danno più comune e rappresentato in lesioni retiniche da Ne:Yag; l’analisi pone in primo piano l’assenza di occhiali protettivi o uno scorretto uso delle attrezzature.

In questo senso esistono normative specifiche direttamente o indirettamente correlate nel Dlgs 626/94 (artt 4, 5, 21, 22) modificato dal Dlgs242/96.

Dal 1976 tutti i fabbricanti sono soggetti alla normativa CEI 76-2e; devono classificare la proprie macchine con uno specifico codice di categoria o classe di rischio, che indica la crescente pericolosità ed è assegnato in base a lunghezza d’onda, potenza massima emessa e tipo di funzionamento.

Poiché i laser odontoiatrici superano la soglia 0,5W, rientrano nella categoria IV, Alta potenza (potenza massima >500mw); che viene ritenuta in grado di danneggiare l’occhio anche per semplice riflessione del raggio, procurare danni alla cute e provocare

(12)

454

incendi, richiedendo le seguenti precauzioni:

- abbigliamento protettivo ignifugo degli operatori per il potenziale rischio di incendio

- area d’uso ad accesso controllato, in modo da impedire accessi imprevisti e lasciare accedere solo personale con dispositivi di protezione individuale (occhiali protettivi, vesti ignifughe)

- strutture di barriera che impediscano l’avvicinamento eccessivo al raggio, con connessioni tali che senza di esse il laser non possa operare

- dispositivo di accensione mediante chiave di sicurezza

- sistema di bloccaggio di emergenza immediatamente accessibile

- attivazione progressiva preceduta da sistema di avviamento, comprendente allarme, luce di segnalazione, conto alla rovescia

- sorveglianza medica periodica del personale per la prevenzione ed evidenziazione di danni oculari

- esposizione di cartelli indicanti tipo, classe di appartenenza ed avviso di pericolo

“Pericolo. Radiazione laser. Evitare esposizione degli occhi e della pelle a radiazioni dirette o diffuse, Apparecchio laser di IV tipo”.

Tabella 8 – Effetti dannosi del laser

(13)

455

(14)

456

CASISTICA

Caso 1 - Endodonzia e guarigione a tre mesi di parodontite cronica apicale con trattamento endodontico laser-assistito (diodi). Si ritiene che l’effetto dipenda dalle numerose azioni del laser: decontaminazione del canale, pulizia delle superficie canalare, chiusura dei tubuli dentinali, essicazione, attivazione di osteoblasti.

Caso 2 – Parodontologia e guarigione a quattro giorni di gengivite marginale (fig a,b) trattate con igiene professionale e laser a diodi.

Caso 3 – Parodontologia e

(15)

457

guarigione a tre mesi di parodontite cronica (figura a, b) trattata con levigatura radicolare e procedura laser-assistita (diodi). Si ritiene che l’effetto dipenda dalle numerose azioni del laser: evaporazione del tessuto di granulazione, decontaminazione della tasca, biostimolazione di fibroblasti e osteoblasti.

Caso 4 – Implantologia e guarigione a tre mesi di perimplantite (figura a, b, c, d, e) trattata con toilette chirurgica e decontaminazione laser-assistita (diodi).

3 mesi 12 mesi biostimolazione 1 mese

(16)

458

Caso 5 – Ortodonzia e intervento di opercolectomia per canino mascellare incluso con laser a diodi (fig a, b)

(17)

459

Caso 6 - Ortodonzia e gengivoplastica con laser a diodi in paziente respiratore orale con ipertrofia gengivale (a,b,c)

Caso 7 – Chirurgia orale e frenulectomia laser-assistita con diodi.

(18)

460

Caso 8 – Chirurgia orale e gengivectomia in paziente con ipertrofia gengivale da calcioantagonisti

Caso 9 – Patologia orale e asportazione di fibroma linguale

Caso 10 – Protesi e condizionamento sulculare per impronte ai fini di riabilitazione con corone in ceramica integrale

(19)

461

BIBLIOGRAFIA

1. Ando Y, Aoki a; Watanabe H. et al.: "Bacterial effect of Er-YAG laser on periodontopatic bacteria".Laser Surg.Med. 1996;19(2): 190-200)

2. Asimov M.M, Asimov R, Rustam M et al. “Action spectrum of laser radiation on hemoglobin of uman skin blood vessels”. SPIE 12/97; vol.3189: 90-97.

3. Friesen LR, Cobb CM, Rapley JW, BrokmanLF, Spencer P. “Laser irradiation of bone: II. Healing response following treatment by CO2 and Nd:YAG lasers”. J Periodontol 1999;70:75-83.

4. Lewandrowski KU, Lorente C. et al, “Use of the Er:YAG laser for improved plating in maxillofacial surgery: comparison of bone healing in laser and drill osteotomies”, Lasers Surg Med, 1996;19(1):40-5

5. Maiorana C, Salina S, Laser a diodi, ed Ariedue, 2004, Mi

6. McDavid VG, Cobb CM, Rapley JW, Glaros AG, Spencer P. “Laser irradiation of bone: III. Long-Term healing following treatment by CO2 and Nd:YAG lasers”. J Periodontol 2001;72:174-182.

7. Nelson JS, Orenstin A, Liaw LH, Berns MW “Mid infrarederbium:YAG laser ablation of bone: the effect of laser osteotomy on bone healing”. Lasrs Surg Med 1989; 9:

362-374.

8. Pourzarandian A., Watanabe H., Aoki A. et al, “Histological and TEM examination of early stages of bone healing after Er:YAG laser Irradiation”. Photomed laser surg., 2004 Aug;22(4):342-50

9. Salina S. et al., “Histological evaluatation, in rabbit tibiae, of osteointegration of mini-implants is sites prepared with Er:Yag laser versus sites prepared with traditional burs”, J Long Term Eff Med Implants, 2006;16(2):145-56

(20)

462

10. Sasaki KM, Aoki A et al., “Scanning electron microscopy and Fourier transformed infrared spectroscopy analysis of bone removal using Er:YAG and CO2 lasers”, J Periodontol, 2002 Jun;73(6):643-52

11. Sasaki KM, Aoki A et al., “Scanning electron microscopy and Fourier transformed infrared spectroscopy analysis of bone removal using Er:YAG and CO2 lasers”, J Periodontol, 2002 Jun;73(6):643-52

12. SILO, Laser in clinica odontoiatrica, ed Erre e Erre ADV, 2004, Mi.

13. Wang X., Zhang C. et al., “In vivo study of the healing processes that occur in the jaws of rabbits following perforation by an Er,Cr:YSGG laser”, Lasers Med Sci, 2005;20(1):21-7. Epub 2005 Apr 1.