The effect of working tip angulation on root substance removal using Er:YAG laser radiation: an in vitro study

• Published in: Journal of clinical periodontology Vol. 28; no. 3; pp. 220 - 226
• Main Authors: Folwaczny, Matthias, Thiele, Lidka, Mehl, Albert, Hickel, Reinhard
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Copenhagen Munksgaard International Publishers 01.03.2001
• Subjects: Aluminum Silicates; Analysis of Variance; angulation; Dental Cementum - pathology; Dentin - pathology; Equipment Design; Er:YAG-laser; Erbium; Humans; Image Processing, Computer-Assisted; Laser Therapy; Linear Models; Microscopy, Confocal; periodontal; removal; Replica Techniques; Root Planing - instrumentation; Root Planing - methods; root-substance; Surface Properties; Tooth Root - pathology; working-tip; Yttrium
• ISSN: 0303-6979; 1600-051X
• DOI: 10.1034/j.1600-051x.2001.028003220.x

Objectives: The present investigation attempted to determine the amount of cementum and/or dentin removal with Er:YAG laser radiation, dependent on the angulation of a specially‐developed application tip. Material and methods: Subject of the study were 150 extracted incisors, canines, premolars, and molars. Source of laser radiation was an Er:YAG laser device emitting pulsed infrared radiation at a wavelength of 2.94 μm with a pulse duration of 250 μs and a pulse repetition rate of 10 pps. The samples of the 3 study groups were irradiated with 380 laser pulses at radiation energies of 60 mJ (group A), 100 mJ (group B), or 180 mJ (group C). In each group, 10 samples were treated at working tip angulations of 15°, 30°, 45°, 60°, and 90°. The substance removal was determined 3‐dimensionally using a newly developed laser scanning system (100,000 surface points per sample, accuracy 5 μm) and a special image‐analysing software (Match 3D). Statistical analysis was completed with ANOVA followed by multiple comparisons using the Scheffé‐test and with linear regression analysis according to Pearson‐Bravais (p<0.05). Results: Strong dependance of substance removal, both determined as maximum depth of the defects (0.5% quantil) as well as defect volume, on the angulation of the working tip was shown. At 60 mJ, the depth of the defects was 41.39 (±32.55) μm at an angulation of 15° and that at 90° was 181.39 (±74.42) μm (R2=0.921). For the radiation energy at 100 mJ, the depth of the defects ranged from 51.96 (±26.86) μm at 15° to 306.64 (±62.44) μm at 90° (R2=0.983). Choosing radiation energies at 180 mJ, the depth of the defects ranged from 64.73 (±27.73) μm at 15° to 639.89 (±47.28) μm at 90°, on average (R2=0.853). Conclusions: The results of the present study provide clear evidence that besides the physical radiation parameters, also the parameters of clinical handling, in particular the angulation of the application tip, has a strong influence on the amount of root substance removal using Er:YAG laser radiation. Zusammenfassung Ziele: Die vorliegende Untersuchung hatte zum Ziel zu bestimmen in wieweit der Betrag der Entfernung von Zement und/oder Dentin mittels Er:YAG‐Laserbestrahlung abhängig ist vom Arbeitswinkel einer speziell entwickelten Arbeitsspitze. Material und Methode: Die Studie wurde an 150 extrahierten Inzisivi, Eckzähnen Prämolaren und Molaren ausgeführt. Die Quelle der Laserbestrahlung war ein Er:YAG‐Lasergerät das gepulste Infrarotstrahlung mit eines Wellenlänge von 2.94 μm, einer Pulsdauer von 250 μs und einer Pulswiederholungsrate von 10 pps abgibt. Die Proben der 3 Studiengruppen wurden mit 380 Pulsen einer Strahlungsenergie von 60 mJ (Gruppe A), 100 mJ (Gruppe B) oder 180 mJ (Gruppe C) bestrahlt. In jeder Gruppe wurden 10 Proben mit Arbeitswinkeln von 15°, 30°, 45°, 60° und 90° behandelt. Der Substanzabtrag wurde 3‐dimensional mit Hilfe eines neu entwickelten Laser‐Scanning‐Systems (100,000 Oberflächenpunkte pro Probe, 5 μm Genauigkeit) und einer speziellen Bildanalysesoftware (Match 3D) bestimmt. Die statistische Analyse erfolgte mit der ANOVA gefolgt von der einem multiplen Vergleich mittels des Scheffé‐Tests und einer linearen Regressionsanalyse entsprechend Pearson‐Bravais (p<0.05). Ergebnisse: Der Substanzabtrag der sowohl als maximale Tiefe des Defektes (0.5% Quantil) als auch als Defektvolumen bestimmt wurde stand in starker Abhängigkeit zum Arbeitswinkel. Bei 60 mJ lag die Defekttiefe bei 15° Winkel bei 41.39 (±32.55) μm und bei 90° Winkel bei 181.39 (±74.42) μm (R2=0.921). Bei einer Strahlungsenergie von 100 mJ lag die Defekttiefe zwischen 51.96 (±28.86) μm bei 15° Winkel und 306.64 (±62.44) μm (R2=0.983) bei einem 90° Winkel. Wurde eine Strahlungsenergie von 180 mJ gewahlt lag die Defekttiefe zwischen 64.73 (27.73) μm bei 15° einem Winkel und 639.89 (±47.28) μm (R2=0.853) bei einem 90° Winkel. Konklusion: Die Ergebnisse der vorliegenden Studie liefern klare Hinweise, dass neben den physikalischen Strahlungsparametern auch die Paratmeter der klinischen Anwendung, insbesondere der Arbeitswinkel der Spitze, starken Einfluss auf die Menge des Substanzabtrags durch die Er:YAG‐Laserbestrahlung haben. Résumé L’étude présente a tenté de déterminer la quantité de cément et/ou de dentine enlevés par la radiation du laser Er:YAG suivant l’angulation d’un insert spécialement développé. 150 canines, prémolaires et molaires avulsées ont été utilisées à cet effet. La source de radiation laser provenait d’un laser Er:YAG qui émettait une radiation infrarouge pulsée à une longueur d’onde de 2.94 μm avec une durée de pulsation de 250 μs et un taux de répétition de pulsation de 10 pps. Les échantillons des 3 groupes d’étude étaient irradiés par 380 pulsions de laser à des énergies de 60 mJ (groupe A), 100 mJ (groupe B) ou 180 mJ (groupe C). Dans chaque groupe, 10 éhantillons ont été traités avec des angulations de l’insert de 15°, 30°, 45°, 60 et 90°. La substance enlevée était déterminée en 3D en utilisant un nouveau système de balayage par laser (100, 000 points de surface par échantillon, avec une précision de 5 μm) et une analyse d’image par ordinateur (Match 3D). L’analyse statistique a été effectuée à l’aide de l’ANOVA suivie par des linéaire de Pearson‐Bravais (p<0.05). Il y avait de grandes différences dans l’enlèvement de substances aussi bien déterminées comme profondeur maximum des lésions (quantil 0.5%) que comme volume de la lésion sur l’angle de l’insert travaillant. A 60 mJ la profondeur des lésions était de 41±33 μm à une angulation de 15° et celle à 90°était de 181±74 μm (R2=0.921). Pour l’énergie de radiation à 100 mJ, la profondeur des lésions était de 52±27 μm à 15°à 307±62 μm à 90° (R2=0.983). En choisissant des énergies de radiation à 180 mJ, la profondeur des lésions s’échelonnait de 65±28 μm à 15°à 640±47 μm à 90° (R2=0.853). Les résultats de l’étude présente mettent en évidence qu’il y a à côté des paramètres de radiations physiques également les paramètres de l’utilisation clinique et en particulier l’angulation des inserts utilisés qui ont une influence importante sur la quantité de substance radiculaire enlevée lors de l’utilisation de la radiation par laser Er:YAG.