专利名称：一种提高牙齿耐磨耐腐性的纳秒激光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及口腔临床与材料处理加工应用相结合的牙科医疗器械技术领域，特指一种纳秒激光冲击强化处理技术提高口腔牙齿及牙齿填充材料耐磨性及耐腐性的装置，尤其适用于酸性条件下牙齿及牙齿填充材料的表面强化改性。
背景技术：
激光冲击强化(LSP)是一种利用激光冲击波对材料表面进行改性，提高材料的抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能的技术。其原理是高能量短脉冲激光诱导的冲击波与材料相互作用，在金属材料表面形成塑性变形层，从而使金属材料的疲劳强度与硬度等性能得以提高，尤其是疲劳寿命。这一技术已在航空、船舶、机械工程、微电子等各行各业中得到了广泛应用，目前该技术主要用于材料改性、金属冲击强化和成形，以及无损检测等方面，但该技术还没有应用于临床医疗方面的报道。口腔中的牙齿之间存在机械摩擦，经年累月的摩擦导致牙齿咬合面或邻面硬组织的缓慢渐进性丧失称为牙磨耗或牙磨损。牙齿咬合面的硬组织随着年龄增长而出现的缓慢丧失一般称作牙齿生理磨耗，也就是牙齿在使用过程中的正常损耗。而因夜磨牙、紧咬牙、 偏侧咀嚼等原因导致的牙齿咬合面硬组织过度丧失则被视为病理性磨损，牙齿咬合异常或排列紊乱如重度深覆颂(咬合时，上牙覆盖下牙的垂直距离大于正常值)，个别牙反颂(俗称 “地包天”)等，因下颂运动受限会加重牙齿磨损，这样的磨损就是不正常的牙齿磨损了，对牙齿有明显的损害。有人认为牙齿很硬，不怕磨，而且越磨月结实，其实这是一种误解。牙齿磨损的表现与发生经常性摩擦的部位有密切关系。发生在后牙咬合面的磨损，最初在牙尖出现小而光滑的平面，以后逐渐扩大并加深，以致露出牙本质。随着磨损加重，上颂后牙的舌尖、下颂后牙的颊尖渐渐变平甚至出现凹陷，相反，上颂后牙的颊尖、下颂后牙的舌尖则越来越显得长而锐。牙齿磨损有很多危害，例如，磨损导致牙本质外露时，可造成牙齿对冷、热、酸、甜等刺激敏感或疼痛；过度磨损导致牙髓外露时，可造成牙髓炎，如得不到及时治疗甚至可以导致根尖周炎；磨损形成过高、过锐的牙尖或导致牙颈部过薄时，容易造成牙隐裂甚至牙齿折裂(牙折)；牙齿咬合面的窝、沟、尖等重度磨损甚至被磨平，会导致咀嚼效率大大降低，迫使患者咀嚼食物时加大力量从而加重牙周组织的负担，或者咀嚼不到位，加重胃部的负担； 咬合面磨损严重者，牙齿之间失去正常的解除关系，可出现食物嵌塞，进而引起邻面龋和牙周病；牙齿严重磨损变短，可使人的面部下1/3高度降低，这不仅使鼻唇沟加深，出现苍老面容，而且还会出现颞下颂关节区域疼痛等功能紊乱的症状。龋齿是患病率最高的牙病之一，俗称“虫牙”。据不完全统计，我国人口拥有龋齿总数为20多亿个，而且这些龋齿90%没有得到过治疗。龋齿是由于牙斑使牙釉质中的钙与磷溶解形成小洞产生的。龋齿对人的健康危害很大，严重者会导致全身性感染。牙齿开始腐蚀而不加治疗，酸会破坏牙釉质，损伤牙釉质下面的牙质。凡因龋齿、楔状缺损、外伤等造成牙体组织缺损者都需要修补，以恢复其外形和功能。当病变已波及牙髓，甚至引起根尖周病时，应先治疗牙髓，再行牙齿镶补。充填材料应当具有无毒、耐磨、有抗压强度、充填后体积不改变、与窝洞密合、不被唾液腐蚀或溶解、操作简便及色泽美观等性能。但目前尚无完全符合上述性能的材料，只能依据牙齿缺损部位、 受力大小和美观的要求等选用较为合宜的充填材料。一般在后牙多用银汞合金，在前牙，特别是影响美观的部位多选用树脂类。这些填充材料大都存在抗腐蚀性、抗磨损力较差以及强度不高，与窝洞密合不严等问题。本发明技术是将纳秒激光冲击强化技术应用到口腔临床中，能显著提高牙齿耐磨性及耐酸性，有效防止龋齿与牙齿磨损，也可以用于牙齿填充材料的表面强化改性。在恒牙发育完整后，对其易磨损的部位进行激光强化表面改性处理，在牙齿牙釉质表层形成强化保护层，这样牙齿表层同时具有高耐磨性、抗蚀性能，可提高牙齿牙釉质表层的强度及硬度，有效防止牙齿的磨损，减缓牙斑对牙釉质中钙、磷的溶解，达到强化固齿的目的，且牙齿强化改性过程中表面生物可吸收，具有生物相容性，使得牙齿能与血液、体液相容，从而提高牙齿的抗腐蚀性及寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高牙齿耐磨性及耐腐性的纳秒激光装置，解决牙齿，特别是假牙或牙齿填补材料在酸性口液中容易产生酸性腐蚀和磨损的难题。本发明提供了用纳秒激光冲击提高牙齿耐磨性及耐酸性的装置，包括激光器及控制系统、数控叠加式工作平台、防震平衡平台(包括无油空气压缩机)及计算机集成控制系统。其中，所述激光器为钕玻璃调Q脉冲激光器。其基础构件包括激光器系统、激光电源系统、激光能源系统与循环冷却系统四部分组成。激光器控制系统由充电单元、放电触发单元、延时控制单元和Q开关高压单元组成。根据激光器的工作原理，激光器采用外部控制，在面板设定好部分固定参数外，通过外部的计算机实现激光冲击主要工艺参数的控制，主要控制参数是激光脉冲击发频率、 击发、输出能量，外控的脉冲击发频率从0. 1HZ-0. 5HZ，工作时外部的工作脉冲要一直加载于激光器，在没有加载击发脉冲的情况下，此时激光器是没有激光输出的，在需要冲击的时刻向激光器发送击发脉冲，让激光器输出脉冲激光，根据冲击工艺的要求不同，冲击的能量是不一样的，此时可以通过外部计算机加载0 — 5V的控制电压至激光器的预放大器，调节该放大器的输出电压，进而调节激光器的输出脉冲的能量。其中，所述数控叠加式工作平台他分上下两个工作平台，上平台用于激光光路的调节、校准及45度激光全反射镜、聚光镜的固定，上平台为平面两个方向直线运动的平台， 运动方向分别为X、Y方向，上平台X方向直线运动通过上平台X向伺服电机控制，沿上平台X向直线滑台可以精确移动，上平台X向直线滑台安装在立柱的侧边上，立柱固定在底座上，上平台Y方向直线运动通过上平台Y向伺服电机控制，沿上平台Y向直线滑台可以精确移动，上平台Y向直线滑台安装在上平台X向直线滑台的侧边上；下平台为人体位置调节平台，具有竖直和平面三个直线运动平台，分别是X、Y、Z方向，Z方向直线运动通过Z向伺服电机控制，沿Z向直线滑台可以精确移动，Z向直线滑台安装在立柱的侧边上，下平台X方向直线运动通过下平台X向伺服电机控制，沿下平台X向直线滑台可以精确移动，下平台X 向直线滑台安装在Z向直线滑台上，在下平台X向直线滑台的侧边上安装下平台Y向直线滑台，下平台Y方向的运动通过下平台Y向伺服电机控制，在下平台Y向直线滑台上面安装冲击强化工作平台，在冲击强化工作台上进行人体头部位置固定，所有伺服电机通过现场总线(CAN)与计算机相连接，通过计算机集成控制系统精确调节上下平台的移动，保证激光器发出的激光束经45度激光全反射镜反射成垂直光速，再由聚光镜聚焦在需要强化的牙齿表面，再进行强化固齿。其中，所述计算机集成控制系统采用自行开发的开放式分布控制系统，用一台控制计算机作为上位机，通过现场总线将激光器、数控叠加式工作平台、检测与辅助功能控制连接起来，实现各环节的信息交换。根据系统的工作要求，各环节的控制器负责具体对象的控制，相互间的信息交换通过上位机进行，系统在上位机的协调和控制下可以进行手动操作也可以根据辅助激光冲击软件进行控制，实现相关功能，设计的功能如下
手动操作功能
1、X、Y、Z、方向的点动控制，每次点动的位移可以设定，设定的行程从0.l-9mm 或0. 1-9度；
2、X、Y、Z、方向的长动控制，长动的速度可以可以设定，设定的速度从1一 50mm; 长动与点动具有互锁关系，两者同时只能选择一种功能。辅助功能
1、光闸的开关激光器采用光闸的激光束进行控制，光闸打开时激光脉冲才可以输
出；
2、点灯预热与取消由于钕玻璃激光器工作前要进行预热，达到热平衡和激光脉冲的输出能量才能达到设定值，此功能即为此而设计；
3、冲击频率设置设置系统集成后激光器的击发频率，数据在0.1-0. 5HZ ；
4、重复次数设置设定重复冲击和循环冲击的次数；
5、冲击电压的设置用于设定激光器电源预放级的最高电压设定，以决定激光脉冲的能量大小，这一功能也是在手动时有效；
冲击控制
单次冲击让激光器按照设定参数进行一次冲击； 单段冲击系统执行编缉框内光标选中的一段程序； 连续冲击；系统从编缉框的第一个程序段开始依次执行所有程序； 重复冲击；系统重复执行程序框光标选中的程序，执行次数由重复次数确定； 冲击结束冲击停止。本发明的有益效果为
1)激光器工作台的高度可以任意变化。本装置的激光器工作台采用防震平衡平台(包括无油空气压缩机)，与计算机控制系统相连接，通过软件操作简单容易；工作台主要用于支撑激光器、光学透镜、夹具、人体等。数控叠加式工作平台通过步进电机和伺服电机实现， 采购容易，接线简单，因而易于实现；本发明利用激光冲击产生的等离子体冲击波的力学效应，因此强化过程中作用力不大，而且作用时间短。2)激光器的波长和能量可以根据强化效果进行调节。激光器的原始波长是1064nm，经过二倍晶体倍频后得到532nm波长，三倍晶体倍频后得到355nm波长，四倍晶体倍频后波长。倍频过程由工控机控制通过运动控制卡控制的步进电机装置自动实现。能量的变化可以通过上位机对YAG激光器电源控制系统控制实现。3)控制系统结构简单容易实现，价格便宜，柔性较高。控制系统采用计算机集成控制系统，由于系统集成和上下位机都是自行设计，而且是模块化的，可以对各功能和相关参数进行修改和版本更新。根据系统的工作要求，各环节的控制器负责具体对象的控制，相互间的信息交换通过上位机进行，系统在上位机的协调和控制下可以进行手动操作也可以根据辅助激光冲击软件进行控制，实现相关功能，不同的冲击强化要求，不同的组合方式都可以通过更改软件程序实现。
图1激光器控制系统框图。图2计算机集成控制系统控制框图。图3纳秒激光冲击强化固齿装置示意图。图4纳秒激光冲击注入处理工艺原理图。图5牙齿注入强化修复示意图。图6激光器系统的总体光路分布图。图7数控叠加式工作平台。图中，1、防震平衡平台；2、无油空气压缩机；3、纳秒激光器；4、聚焦透镜；5、45度激光全反射镜；6、数控叠加式工作平台；7、计算机集成控制系统；8、纳秒激光；9、光学透镜；10、钛合金粉末注入物；11、钛合金粉末修复强化层；12、牙釉质；13、牙本质；14、牙冠； 15、底座；16、下平台Y向伺服电机；17、下平台Y向直线滑台；18、上平台Y向伺服电机；19、 冲击强化工作平台；20、上平台Y向直线滑台；21、下平台X向直线滑台；22、下平台X向伺服电机；23、Z向伺服电机；24、Z向直线滑台；25、上平台X向直线滑台；26、上平台X向伺服电机；27、立柱；28、总线接口 ；
LD 半导体激光器讽0°全反射镜；M2 :45°全反射镜；PC :KD*P普克尔盒；PP 偏振镜； PI 隔离器；SL 扩束镜；PA、MA 钕玻璃棒。
具体实施例方式实施例一a. “治疗者”戴上护目镜及开口器，躺在冲击强化工作平台19上(图6 中19所示)进行头部位置固定，清理口腔及需要强化的牙齿。b.清洗、消毒以后，在唇内侧涂上唇油及牙龈保护剂，固化牙龈保护剂后在需强化的牙齿表面均勻涂上配制好的钛合金粉末，涂覆厚度约为l_2mm。c.采用本发明装置，在计算机集成控制系统7上通过辅助激光冲击软件进行激光强化固齿参数调节，选用激光输出参数为输出波长为1. 064 μ m，激光脉宽为10 20ns，冲击功率选择0. 2GW/cm2，激光光斑选择1 3mm (根据强化面积确定)，入射角度选为90度垂直入射，调整到最佳激光入射位置。d.通过计算机集成控制系统7调整冲击光路，调整下数控叠加式工作平台6，确保牙齿冲击部位的准确后，开始图1所示的冲击强化固齿。
e.激光强化固齿完成后，吸掉残留的钛合金粉末，使用口腔专用抛光膏抛光牙齿表面，取出牙龈保护剂、开口器等，修复强化完成后，用专业漱口水清洁口腔即可，图2为注入效果示意图，激光强化注入后，牙齿表面硬度大大增强，有效防止牙齿的磨损及牙齿龋病，达到强化固齿的目的，从而提高牙齿的抗腐蚀性及寿命。实施例二 在假牙及牙齿填充材料的强化过程中，采用直接方法，直接把假牙及填充材料固定在数控叠加式工作平台6的下平台上，调整激光冲击强化固齿的主要工艺参数，选用激光输出参数为输出波长为Ι.ΟΜμπι，激光脉宽为10 ns，冲击功率选择0.2GW/ cm2,设置好冲击次数就可以进行强化改性，冲击完成后对冲击部位进行休整、抛光处理，这种改性处理后，其耐磨耐酸寿命约为20年以上，已基本上能满足口腔牙齿的寿命要求。
权利要求
1.一种提高牙齿耐磨耐腐性的纳秒激光装置，其特征在于，包括计算机集成控制系统 (7)、激光器(3)、数控叠加式工作平台(6)、防震平衡平台(1)；所述激光器C3)安装在防震平衡平台⑴上。
2.一种提高牙齿耐磨耐腐性的纳秒激光装置，其特征在于，所述数控叠加式工作平台 (6)分为上下两个工作平台，上平台固定45度激光全反射镜(5)、聚光镜(4)，所述45度激光全反射镜(5)指向激光器(3)的激光头；上平台为平面两个直线运动的平台，运动方向分别为X、Y方向，上平台X方向直线运动通过上平台X向伺服电机(26)控制，沿上平台X 向直线滑台(25)移动，上平台X向直线滑台(25)安装在立柱(27)的侧边上，立柱(27)固定在底座(15)上；上平台Y方向直线运动通过上平台Y向伺服电机(18)控制，沿上平台Y 向直线滑台00)移动，上平台Y向直线滑台OO)安装在上平台X向直线滑台05)的侧边上；下平台为人体位置调节平台，具有竖直和平面三个直线运动平台，分别是X、Y、Z方向，Z 方向直线运动通过Z向伺服电机03)控制，沿Z向直线滑台04)移动，Z向直线滑台04) 安装在立柱(XT)的侧边上，下平台X方向直线运动通过下平台X向伺服电机02)控制，沿下平台X向直线滑台移动，下平台X向直线滑台安装在Z向直线滑台04)上， 下平台X向直线滑台的侧面安装下平台Y向直线滑台(17)，在下平台Y向直线滑台 (17)上面安装冲击强化工作平台(19)；下平台Y方向的运动通过下平台Y向伺服电机(16) 控制，上下平台的所有伺服电机通过现场总线(CAN)与计算机(7)相连接，通过计算机集成控制系统精确调节上下平台的移动。
3.一种提高牙齿耐磨耐腐性的纳秒激光装置，其特征在于，所述计算机集成控制系统用一台控制计算机作为上位机，通过现场总线将激光器(3)、数控叠加式工作平台(6)及防震平衡平台(1)连接起来。
4.一种提高牙齿耐磨耐腐性的纳秒激光装置，其特征在于，所述激光器(3)为钕玻璃调Q脉冲激光器。
全文摘要
本发明公开了一种能够提高牙齿耐磨性及耐腐性的纳秒激光装置，涉及口腔临床与材料处理加工应用相结合的牙科医疗器械技术领域，解决牙齿，特别是假牙或牙齿填补材料在酸性口液中容易产生酸性腐蚀和磨损的难题。本发明利用激光冲击产生的注入及强化效应，将钛合金粉末注入牙釉质表层，提高牙齿表面的耐磨性和抗蚀性，有效地改善牙齿的表面坚固性能，修复粘膜损伤，特别能有效防止钛合金被口腔内酸性溶液腐蚀，也解决了原先金牙或金合金假牙硬度不够的问题。
文档编号A61K41/00GK102166138SQ201110065438
公开日2011年8月31日 申请日期2011年3月18日 优先权日2011年3月18日
发明者任旭东, 周益军, 姜大伟, 张永康, 张田, 皇甫喁卓, 阮亮 申请人:江苏大学