23 Aoû 19, 16:01 LS 1 p.6 BE2019/0081 -1-23 Aug 19, 16:01 LS 1 p.6 BE2019 / 0081 -1-
TRAITEMENT LASER DE LA PERFIMPLANTITE Etat de l’art La péri-implantite affecte 20% des patients endéans les 5 premières années suivant l’implantation dentaire. Elle est déclarée lorsque la base osseuse de la mâchoire se détache de l’implant et lorsqu’il apparait des saignements qui sont les prémisses du détachement de l’implant. Le traitement de la péri-implantite requiert essentiellement le contrôle de l’infection des tissus et la décontamination de la surface de l’implant permettant ainsi la régénération du tissu osseux. La péri-implantite est traditionnellement traitée par application locale d'antiseptiques accompagnée par le nettoyage mécanique de l’implant par brosse rotatoire. La dernière décennie a vu un nombre croissant d’études visant à évaluer la possibilité de développer un traitement laser de la péri-implantite. La revue récente d’ Alshehri (2016 [4]) reprend les articles pertinents dans ce domaine. Les performances deux lasers Er:YAG et CO,, couramment utilisés en dentisterie, ont été évaluées dans le cadre de ce traitement. Le rayonnement du laser Er: YAG émettant à 2,94 jum est fortement absorbé par l’eau, et donc par les tissus mous. Les études ex-vitro démontrent la possibilité de traiter la surface de l’implant par irradiation en retirant la couche oxydée contaminée tandis les études in-vivo, réalisées sur le chien pendant 3 mois, démontrent l’action positive envers le contrôle de l’inflammation et envers l’ostéo-intégration. Ces résultats majoritairement encourageant sont néanmoins parfois contredits par des études qui — mettent en garde sur les seuils de fluence critiques à ne pas dépasser afin de ne pas détériorer l’implant et les tissus environnants. Le rayonnement du laser CO» émettant vers 10 um est quelque peu moins absorbé par les tissus. Les études utilisant ce laser pour le traitement de la péri-implantite — aboutissent à des conclusions semblables à celles réalisées avec le laser Er:YAG, c'est-à-dire aux effets bénéfiques potentiels ainsi qu’aux risques de détérioration de l'implant et des tissus environnants par échauffement. Ces résultats amènent la communauté des dentistes à conclure à l’efficacité réelle et potentiellement améliorable du traitement de la péri-implantite par laser et à la nécessité de mieux contrôler les paramètres d’irradiation. Tous ces travaux de recherches sur le traitement de la péri-implantite par laser ont été réalisés avec des lasers commerciaux utilisés en dentisterie. Ces lasers Er:YAG et 40 CO, fonctionnent en mode relaxé en émettant des impulsions d’une durée supérieure à 60 us. L'influence de la durée d’impulsion sur l'efficacité du traitement n’a pas été étudiée. L’élévation de température à la surface des métaux irradiés par des impulsions laser a 45 été étudiée dans les années 80 afin de modéliser les processus de photo-désorption [5] ou de dommages optiques [6]. Pour des impulsions plus longues que le domaine nanoseconde, l’élévation de la température peut être déterminée en utilisant l’équation de la diffusion de la chaleur. La solution de cette équation [7, 5] pour une impulsionLASER TREATMENT OF PERFIMPLANTITE State of the art Peri-implantitis affects 20% of patients within the first 5 years following dental implantation. It is declared when the bony base of the jaw detaches from the implant and when bleeding occurs which is the first step in the detachment of the implant. The treatment of peri-implantitis essentially requires the control of tissue infection and the decontamination of the implant surface, thus allowing the regeneration of bone tissue. Peri-implantitis is traditionally treated by local application of antiseptics accompanied by mechanical cleaning of the implant by rotating brush. The last decade has seen a growing number of studies to assess the possibility of developing laser treatment for peri-implantitis. The recent review by Alshehri (2016 [4]) includes relevant articles in this area. The performances of two Er lasers: YAG and CO ,, commonly used in dentistry, were evaluated within the framework of this treatment. The radiation from the Er: YAG laser emitting at 2.94 µm is strongly absorbed by water, and therefore by soft tissue. The ex-vitro studies demonstrate the possibility of treating the surface of the implant by irradiation by removing the contaminated oxidized layer while the in-vivo studies, carried out on the dog for 3 months, demonstrate the positive action towards the control of the inflammation and towards osseointegration. These mostly encouraging results are nevertheless sometimes contradicted by studies which - warn about critical fluence thresholds not to be exceeded in order not to damage the implant and the surrounding tissues. The CO laser radiation emitting at around 10 µm is somewhat less absorbed by the tissue. Studies using this laser for the treatment of peri-implantitis - lead to conclusions similar to those made with the Er: YAG laser, i.e. the potential beneficial effects as well as the risk of deterioration of the implant and surrounding tissue by heating. These results lead the dental community to conclude on the real and potentially improving efficacy of laser treatment of peri-implantitis and the need to better control the irradiation parameters. All this research work on the treatment of peri-implantitis by laser has been carried out with commercial lasers used in dentistry. These Er: YAG and 40 CO lasers operate in relaxed mode by emitting pulses longer than 60 us. The influence of pulse duration on treatment effectiveness has not been studied. The temperature rise at the surface of metals irradiated by laser pulses was studied in the 1980s in order to model the processes of photo-desorption [5] or optical damage [6]. For pulses longer than the nanosecond range, the temperature rise can be determined using the heat diffusion equation. The solution of this equation [7, 5] for an impulse
23 Aoû 19, 16:01 LS 1 p.7 BE2019/0081 -2- laser gaussienne indique que l’élévation transitoire de la température (AT) de la surface du métal se relaxe très rapidement après l’irradiation et vérifie: Ee t AT) = —— nl () VE, YänKpc ( ) lorsque le profil de l’impulsion laser obéit à la distribution gaussienne:23 Aug 19, 16:01 LS 1 p.7 BE2019 / 0081 -2- Gaussian laser indicates that the transient rise in temperature (AT) of the metal surface relaxes very quickly after irradiation and verifies: Ee t AT) = —— nl () VE, YänKpc () when the profile of the laser pulse obeys the Gaussian distribution:
FE It) = Re © 2) où T est la durée de l’impulsion laser, F, la fluence du faisceau. n (x) est une fonction sans dimension dérivée de la fonction parabolique cylindrique et tabulée dans la référence 7. K,p,c et R sont respectivement la conductivité thermique, la densité, la chaleur spécifique, et réflectivité de l’implant de titane.FE It) = Re © 2) where T is the duration of the laser pulse, F, the fluence of the beam. n (x) is a dimensionless function derived from the cylindrical and tabulated parabolic function in reference 7. K, p, c and R are respectively the thermal conductivity, density, specific heat, and reflectivity of the titanium implant .
La fonction AT(t) est représentée à la Fig. 1 et a été calculée en utilisant les paramètres présentés dans le tableau 1 et une valeur T = 6 ns, une fluence F=0,1 Verd, et une longueur d’onde du faisceau laser de 1064 nm. A partir de l'équation (1), on peut évaluer la probabilité de photodésorption des contaminants dont la cinétique est modélisée par la loi d’Arrhenius: zeg X=cpeït ©) ou C, = ‚ Kp et P sont respectivement le taux de recouvrement, le taux de désorption des contaminants, la constante de Boltzman et le facteur pré-exponentiel.The function AT (t) is shown in Fig. 1 and was calculated using the parameters shown in Table 1 and a T value = 6 ns, a fluence F = 0.1 Verd, and a laser beam wavelength of 1064 nm. From equation (1), we can evaluate the probability of photodesorption of contaminants whose kinetics are modeled by Arrhenius law: zeg X = cpeït ©) or C, = ‚Kp and P are respectively the rate of recovery, contaminant desorption rate, Boltzman constant and pre-exponential factor.
Les équations (1-3) mettent en évidence plusieurs compromis. L'énergie pour atteindre un maximum de température (ATmax) de surface diminue avec la racine carrée de la durée d’impulsion d’impulsion: AT max = FED max = AD 1,453 (4) VT |Vanxpc Vr [V2nKpe Néanmoins, la durée de cette augmentation transitoire température diminue propertionnellement à 7 de même que la quantité de contaminants photodésorbés pour une même valeur de ATmax- Ceci peut être compensé en augmentant AT max- Les meilleurs compromis peuvent être évalués numériquement en calculant la quantité de contaminants photodésorbés sur base des équations (1) et (3) et en adoptant un facteur pré-exponentiel, P=10" Hz, et une énergie d’absorption, Æ,= 30 kCal/môle (1,3 el/molécule), qui représente des valeurs typiques pour des molécules organiques adsorbées sur des métaux ou l’oxyde de titane [8, 9]. Les autres paramètres nécessaires à ce calcul sont repris dans le tableau 1.Equations (1-3) show several compromises. The energy to reach a maximum surface temperature (ATmax) decreases with the square root of the pulse pulse duration: AT max = FED max = AD 1.453 (4) VT | Vanxpc Vr [V2nKpe However, the duration of this transient increase in temperature proportionally decreases to 7 as does the quantity of contaminants photodesorbed for the same value of ATmax- This can be compensated by increasing AT max- The best compromises can be evaluated numerically by calculating the quantity of contaminants photodesorbed on the basis of the equations (1) and (3) and adopting a pre-exponential factor, P = 10 "Hz, and an absorption energy, Æ, = 30 kCal / mole (1.3 el / molecule), which represents values typical for organic molecules adsorbed on metals or titanium oxide [8, 9] The other parameters necessary for this calculation are given in Table 1.
Tableau 1. Propriété du titane 15,6 W/ (m °K) ep | 4510 ke / m3 540 J (kg K) Co Réflectivité à 532nm (KTP laser), R Réflectivité à 1064 nm (Nd:YAG laser), R Réflectivité à 2940 nm (Er: YAG laser), R Température de fusion, Trusion 1668 °CTable 1. Property of titanium 15.6 W / (m ° K) ep | 4510 ke / m3 540 J (kg K) Co Reflectivity at 532nm (KTP laser), R Reflectivity at 1064 nm (Nd: YAG laser), R Reflectivity at 2940 nm (Er: YAG laser), R Melting temperature, Trusion 1668 ° C
23 Aoû 19, 16:02 LS 1 p.8 BE2019/0081 -3- Les résultats de l’évaluation numérique sont présentés à la Fig. 2 et classés en fonction d’un paramètre de sécurité ( Sa ) qui représente le fait que l'operateur dentiste ajustera les conditions d'irradiation pour maximiser la fluence du faisceau sur l’implant tout en évitant de fondre sa surface. Ce seuil de dommage correspond au fait que le maximum de la transitoire de température atteint la température de fusion du Titane (ATgommage = Truston — Tambiante ). La figure 2 montre donc le taux de recouvrement de contaminant restant sur la surface de l’implant suite à l’irradiation d’une impulsion laser en fonction de la durée d’impulsion, de ce paramètre de sécurité, Sa = AT damage (5) ÂTmax et en considérant une longueur d’onde du laser égale à 1064 nm. Comme le montre d’ailleurs le tableau 1, le choix de la longueur d’onde laser n’affecte le processus de décontamination que de manière modérée en influençant le coefficient de réflexion du Titane. En considérant (a) que l’opérateur sélectionnera un niveau de fluence permettant d’obtenir un taux de désorption de 90% de contaminant par impulsion laser, (b} que le diamètre du spot laser sur l’implant est de 800 um, (c) que chaque spot sera irradié par 10 impulsions laser consécutives afin d’atteindre un niveau de décontamination de 1- (0,1) 9 99,99999999 %, (d} que la surface totale de l’implant à traité est de 1 cm? et requiert donc 2000 impulsions laser, (c) et que le volume de l’implant est de 500 mm”, la modélisation numérique permet d’évaluer la puissance laser, le temps de traitement d’un implant ainsi que son élévation de température. Le tableau 2 résume les prédictions théoriques. Ce tableau indique que si on utilise des durées d’impulsions courte de l’ordre de 5 nanoseconde ou même de 0,5 nanoseconde on réduit de deux ordre de grandeur la puissance laser nécessaire pour traiter la surface par rapport à l’utilisation de lasers commerciaux de dentiste émettant des impulsions de longues que 100 jus. Ceci implique donc que l’échauffement de l’implant pendant son traitement est réduit dans la même proportion, de sorte que le refroidissement par jet d’eau n’est pas plus nécessaire. Un dernier avantage concerne la profondeur de diffusion de la chaleur qui peut être évaluée par la quantité = T23 Aug 19, 16:02 LS 1 p.8 BE2019 / 0081 -3- The results of the numerical evaluation are shown in Fig. 2 and classified according to a safety parameter (Sa) which represents the fact that the dental operator will adjust the irradiation conditions to maximize the fluence of the beam on the implant while avoiding melting its surface. This damage threshold corresponds to the fact that the maximum of the temperature transient reaches the melting temperature of the titanium (ATgommage = Truston - Tambiante). Figure 2 therefore shows the rate of recovery of contaminant remaining on the surface of the implant following the irradiation of a laser pulse as a function of the pulse duration, of this safety parameter, Sa = AT damage (5 ) ÂTmax and considering a laser wavelength equal to 1064 nm. As shown in Table 1, the choice of laser wavelength affects the decontamination process only moderately by influencing the reflection coefficient of titanium. Considering (a) that the operator will select a fluence level making it possible to obtain a desorption rate of 90% of contaminant by laser pulse, (b} that the diameter of the laser spot on the implant is 800 μm, ( c) that each spot will be irradiated with 10 consecutive laser pulses in order to achieve a decontamination level of 1- (0.1) 9 99.99999999%, (d} that the total surface of the implant to be treated is 1 cm? and therefore requires 2000 laser pulses, (c) and the volume of the implant is 500 mm ”, digital modeling makes it possible to evaluate the laser power, the treatment time of an implant as well as its elevation of temperature. Table 2 summarizes the theoretical predictions. This table indicates that if short pulse durations of the order of 5 nanoseconds or even 0.5 nanoseconds are used, the laser power required to process is reduced by two orders of magnitude. the area compared to using commercial pulsed dentist lasers long as 100 juices. This therefore implies that the heating of the implant during its treatment is reduced in the same proportion, so that the cooling by water jet is not more necessary. A final advantage concerns the depth of heat diffusion which can be evaluated by the quantity = T
[10]. Dans le cas de l’utilisation d’un laser commercial de dentiste, cette profondeur est de l’ordre de 25 um, signifiant que la topographie de surface de l’implant de titane sera sévèrement affectée en cas de dépassement du seuil de dommage. Dans le cas de laser nanoseconde et sub-nanoseconde, cette quantité est réduite à quelques dizaines de nanomètres et est nettement inférieur à la rugosité de surface des implants, signifiant que la topographie de surface ne sera pas affectée par un dépassement du seuil de dommage. Finalement, remarquons que l’utilisation de laser d’impulsion courte est compatible avec la mise en œuvre de spectroscopie «Laser Break-Down Spectroscopy» qui 40 permet l'analyse en temps réels de la composition chimique superficielle de l’implant, c'est-à-dire le contrôle extemporanée du processus de décontamination. L'analyse de la lumière rétrodiffusée par l’implant permet aussi de déterminer l’augmentation transitoire de la température de l’implant et de fournir un indiction sur 45 le niveau de fluence à utiliser.[10]. In the case of using a commercial dentist's laser, this depth is on the order of 25 µm, meaning that the surface topography of the titanium implant will be severely affected if the damage threshold is exceeded. In the case of nanosecond and sub-nanosecond lasers, this quantity is reduced to a few tens of nanometers and is significantly lower than the surface roughness of the implants, meaning that the surface topography will not be affected by exceeding the damage threshold. Finally, it should be noted that the use of a short pulse laser is compatible with the implementation of “Laser Break-Down Spectroscopy” spectroscopy which allows the analysis in real time of the surface chemical composition of the implant. ie the extemporaneous control of the decontamination process. Analysis of the light backscattered from the implant can also determine the transient increase in the temperature of the implant and provide an indication of the level of fluence to use.
23 Aoû 19, 16:03 LS 1 p.9 BE2019/0081 -4- ; =] = 5 = Sal | 8 8 2 5 ze 22/48 & 5 al 5 81 EE EED EL) 56 a = = d- 5 Ra | 78 2.8 zl El 7) EL El Zl SE) 8) 3° zl © g. E | % 55 7 & g = = 5 5 = & = = B 7 a 23 ® e = 5 5 5 &® 3 4 = = 3 5 = = E, B 8 | ©23 Aug 19, 16:03 LS 1 p.9 BE2019 / 0081 -4-; =] = 5 = Sal | 8 8 2 5 ze 22/48 & 5 al 5 81 EE EED EL) 56 a = = d- 5 Ra | 78 2.8 zl El 7) EL El Zl SE) 8) 3 ° zl © g. E | % 55 7 & g = = 5 5 = & = = B 7 a 23 ® e = 5 5 5 & ® 3 4 = = 3 5 = = E, B 8 | ©
Z Typical | 800 12 60m] |10Hz 600 |200sec | 38°C [25 um present | um Jem? mW dental Er:YA G laser 100 us Sugges ted laser specific ations Vert? _mW °C | um Jom? | mW °C | um J/cm2 mW °C um Jom? mW | °C Cm um Vom? mW . °C | pm Jem? mW °C um Vom? mW °C Elen Jem? mW °C Invention 5 L'invention consiste donc à utiliser un faisceau laser générant des impulsions optiques de courte durée dans la plage de 200 ps à 500 ns pour le traitement de la péri- implantite.Z Typical | 800 12 60m] | 10Hz 600 | 200sec | 38 ° C [25 um present | um Jem? mW dental Er: YA G laser 100 us Sugges ted laser specific ations Green? _mW ° C | um Jom? | mW ° C | um J / cm2 mW ° C um Jom? mW | ° C Cm um Vom? mW. ° C | pm Jem? mW ° C um Vom? mW ° C Elen Jem? mW ° C Invention The invention therefore consists in using a laser beam generating optical pulses of short duration in the range of 200 ps to 500 ns for the treatment of peri-implantitis.
23 Aoû 19, 16:03 LS 1 p.10 BE2019/0081 -5- . Les lasers à base de terre rare (Yb :YAG, Nd : YAG) fonctionnant en mode déclenché et pompé par diode, émettant des impulsions à des taux de répétition de l’ordre de 500 à 1 kHz, peuvent représenter une solution économique et efficace pour ce traitement, ainsi qu’un laser Nd :YAG pompé par lampe flash travaillant à plus faible taux de répétition et générant des impulsions plus énergétiques. Les lasers commerciaux pour le traitement de la péri-implantite fonctionnent en mode relaxé et génère des impulsions d’uns durée supérieur à plusieurs dizaine de microsecondes. Un aspect original de cette invention est donc l’utilisation de laser tavaillant en mode déclenché pour la génération d’impulsions dans la gamme de 50 ps à 500 ns Références :23 Aug 19, 16:03 LS 1 p.10 BE2019 / 0081 -5-. Rare earth lasers (Yb: YAG, Nd: YAG) operating in a triggered and diode pumped mode, emitting pulses at repetition rates of the order of 500 to 1 kHz, can represent an economical and efficient solution. for this treatment, as well as a Nd: YAG laser pumped by flash lamp working at lower repetition rate and generating more energetic pulses. Commercial lasers for the treatment of peri-implantitis operate in relaxed mode and generate pulses lasting longer than several tens of microseconds. An original aspect of this invention is therefore the use of laser cutting in triggered mode for the generation of pulses in the range of 50 ps to 500 ns References:
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