專利名稱：一種提高牙齒耐磨耐腐性的納秒激光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及口腔臨床與材料處理加工應(yīng)用相結(jié)合的牙科醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，特指一種納秒激光沖擊強(qiáng)化處理技術(shù)提高口腔牙齒及牙齒填充材料耐磨性及耐腐性的裝置，尤其適用于酸性條件下牙齒及牙齒填充材料的表面強(qiáng)化改性。
背景技術(shù)：
激光沖擊強(qiáng)化(LSP)是一種利用激光沖擊波對材料表面進(jìn)行改性，提高材料的抗疲勞、磨損和應(yīng)力腐蝕等性能的技術(shù)。其原理是高能量短脈沖激光誘導(dǎo)的沖擊波與材料相互作用，在金屬材料表面形成塑性變形層，從而使金屬材料的疲勞強(qiáng)度與硬度等性能得以提高，尤其是疲勞壽命。這一技術(shù)已在航空、船舶、機(jī)械工程、微電子等各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，目前該技術(shù)主要用于材料改性、金屬沖擊強(qiáng)化和成形，以及無損檢測等方面，但該技術(shù)還沒有應(yīng)用于臨床醫(yī)療方面的報(bào)道?？谇恢械难例X之間存在機(jī)械摩擦，經(jīng)年累月的摩擦導(dǎo)致牙齒咬合面或鄰面硬組織的緩慢漸進(jìn)性喪失稱為牙磨耗或牙磨損。牙齒咬合面的硬組織隨著年齡增長而出現(xiàn)的緩慢喪失一般稱作牙齒生理磨耗，也就是牙齒在使用過程中的正常損耗。而因夜磨牙、緊咬牙、 偏側(cè)咀嚼等原因?qū)е碌难例X咬合面硬組織過度喪失則被視為病理性磨損，牙齒咬合異?；蚺帕形蓙y如重度深覆頌(咬合時(shí)，上牙覆蓋下牙的垂直距離大于正常值)，個別牙反頌(俗稱 “地包天”)等，因下頌運(yùn)動受限會加重牙齒磨損，這樣的磨損就是不正常的牙齒磨損了，對牙齒有明顯的損害。有人認(rèn)為牙齒很硬，不怕磨，而且越磨月結(jié)實(shí)，其實(shí)這是一種誤解。牙齒磨損的表現(xiàn)與發(fā)生經(jīng)常性摩擦的部位有密切關(guān)系。發(fā)生在后牙咬合面的磨損，最初在牙尖出現(xiàn)小而光滑的平面，以后逐漸擴(kuò)大并加深，以致露出牙本質(zhì)。隨著磨損加重，上頌后牙的舌尖、下頌后牙的頰尖漸漸變平甚至出現(xiàn)凹陷，相反，上頌后牙的頰尖、下頌后牙的舌尖則越來越顯得長而銳。牙齒磨損有很多危害，例如，磨損導(dǎo)致牙本質(zhì)外露時(shí)，可造成牙齒對冷、熱、酸、甜等刺激敏感或疼痛；過度磨損導(dǎo)致牙髓外露時(shí)，可造成牙髓炎，如得不到及時(shí)治療甚至可以導(dǎo)致根尖周炎；磨損形成過高、過銳的牙尖或?qū)е卵李i部過薄時(shí)，容易造成牙隱裂甚至牙齒折裂(牙折)；牙齒咬合面的窩、溝、尖等重度磨損甚至被磨平，會導(dǎo)致咀嚼效率大大降低，迫使患者咀嚼食物時(shí)加大力量從而加重牙周組織的負(fù)擔(dān)，或者咀嚼不到位，加重胃部的負(fù)擔(dān)； 咬合面磨損嚴(yán)重者，牙齒之間失去正常的解除關(guān)系，可出現(xiàn)食物嵌塞，進(jìn)而引起鄰面齲和牙周?。谎例X嚴(yán)重磨損變短，可使人的面部下1/3高度降低，這不僅使鼻唇溝加深，出現(xiàn)蒼老面容，而且還會出現(xiàn)顳下頌關(guān)節(jié)區(qū)域疼痛等功能紊亂的癥狀。齲齒是患病率最高的牙病之一，俗稱“蟲牙”。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國人口擁有齲齒總數(shù)為20多億個，而且這些齲齒90%沒有得到過治療。齲齒是由于牙斑使牙釉質(zhì)中的鈣與磷溶解形成小洞產(chǎn)生的。齲齒對人的健康危害很大，嚴(yán)重者會導(dǎo)致全身性感染。牙齒開始腐蝕而不加治療，酸會破壞牙釉質(zhì)，損傷牙釉質(zhì)下面的牙質(zhì)。凡因齲齒、楔狀缺損、外傷等造成牙體組織缺損者都需要修補(bǔ)，以恢復(fù)其外形和功能。當(dāng)病變已波及牙髓，甚至引起根尖周病時(shí)，應(yīng)先治療牙髓，再行牙齒鑲補(bǔ)。充填材料應(yīng)當(dāng)具有無毒、耐磨、有抗壓強(qiáng)度、充填后體積不改變、與窩洞密合、不被唾液腐蝕或溶解、操作簡便及色澤美觀等性能。但目前尚無完全符合上述性能的材料，只能依據(jù)牙齒缺損部位、 受力大小和美觀的要求等選用較為合宜的充填材料。一般在后牙多用銀汞合金，在前牙，特別是影響美觀的部位多選用樹脂類。這些填充材料大都存在抗腐蝕性、抗磨損力較差以及強(qiáng)度不高，與窩洞密合不嚴(yán)等問題。本發(fā)明技術(shù)是將納秒激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用到口腔臨床中，能顯著提高牙齒耐磨性及耐酸性，有效防止齲齒與牙齒磨損，也可以用于牙齒填充材料的表面強(qiáng)化改性。在恒牙發(fā)育完整后，對其易磨損的部位進(jìn)行激光強(qiáng)化表面改性處理，在牙齒牙釉質(zhì)表層形成強(qiáng)化保護(hù)層，這樣牙齒表層同時(shí)具有高耐磨性、抗蝕性能，可提高牙齒牙釉質(zhì)表層的強(qiáng)度及硬度，有效防止牙齒的磨損，減緩牙斑對牙釉質(zhì)中鈣、磷的溶解，達(dá)到強(qiáng)化固齒的目的，且牙齒強(qiáng)化改性過程中表面生物可吸收，具有生物相容性，使得牙齒能與血液、體液相容，從而提高牙齒的抗腐蝕性及壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高牙齒耐磨性及耐腐性的納秒激光裝置，解決牙齒，特別是假牙或牙齒填補(bǔ)材料在酸性口液中容易產(chǎn)生酸性腐蝕和磨損的難題。本發(fā)明提供了用納秒激光沖擊提高牙齒耐磨性及耐酸性的裝置，包括激光器及控制系統(tǒng)、數(shù)控疊加式工作平臺、防震平衡平臺(包括無油空氣壓縮機(jī))及計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)。其中，所述激光器為釹玻璃調(diào)Q脈沖激光器。其基礎(chǔ)構(gòu)件包括激光器系統(tǒng)、激光電源系統(tǒng)、激光能源系統(tǒng)與循環(huán)冷卻系統(tǒng)四部分組成。激光器控制系統(tǒng)由充電單元、放電觸發(fā)單元、延時(shí)控制單元和Q開關(guān)高壓單元組成。根據(jù)激光器的工作原理，激光器采用外部控制，在面板設(shè)定好部分固定參數(shù)外，通過外部的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)激光沖擊主要工藝參數(shù)的控制，主要控制參數(shù)是激光脈沖擊發(fā)頻率、 擊發(fā)、輸出能量，外控的脈沖擊發(fā)頻率從0. 1HZ-0. 5HZ，工作時(shí)外部的工作脈沖要一直加載于激光器，在沒有加載擊發(fā)脈沖的情況下，此時(shí)激光器是沒有激光輸出的，在需要沖擊的時(shí)刻向激光器發(fā)送擊發(fā)脈沖，讓激光器輸出脈沖激光，根據(jù)沖擊工藝的要求不同，沖擊的能量是不一樣的，此時(shí)可以通過外部計(jì)算機(jī)加載0 — 5V的控制電壓至激光器的預(yù)放大器，調(diào)節(jié)該放大器的輸出電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)激光器的輸出脈沖的能量。其中，所述數(shù)控疊加式工作平臺他分上下兩個工作平臺，上平臺用于激光光路的調(diào)節(jié)、校準(zhǔn)及45度激光全反射鏡、聚光鏡的固定，上平臺為平面兩個方向直線運(yùn)動的平臺， 運(yùn)動方向分別為X、Y方向，上平臺X方向直線運(yùn)動通過上平臺X向伺服電機(jī)控制，沿上平臺X向直線滑臺可以精確移動，上平臺X向直線滑臺安裝在立柱的側(cè)邊上，立柱固定在底座上，上平臺Y方向直線運(yùn)動通過上平臺Y向伺服電機(jī)控制，沿上平臺Y向直線滑臺可以精確移動，上平臺Y向直線滑臺安裝在上平臺X向直線滑臺的側(cè)邊上；下平臺為人體位置調(diào)節(jié)平臺，具有豎直和平面三個直線運(yùn)動平臺，分別是X、Y、Z方向，Z方向直線運(yùn)動通過Z向伺服電機(jī)控制，沿Z向直線滑臺可以精確移動，Z向直線滑臺安裝在立柱的側(cè)邊上，下平臺X方向直線運(yùn)動通過下平臺X向伺服電機(jī)控制，沿下平臺X向直線滑臺可以精確移動，下平臺X 向直線滑臺安裝在Z向直線滑臺上，在下平臺X向直線滑臺的側(cè)邊上安裝下平臺Y向直線滑臺，下平臺Y方向的運(yùn)動通過下平臺Y向伺服電機(jī)控制，在下平臺Y向直線滑臺上面安裝沖擊強(qiáng)化工作平臺，在沖擊強(qiáng)化工作臺上進(jìn)行人體頭部位置固定，所有伺服電機(jī)通過現(xiàn)場總線(CAN)與計(jì)算機(jī)相連接，通過計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)上下平臺的移動，保證激光器發(fā)出的激光束經(jīng)45度激光全反射鏡反射成垂直光速，再由聚光鏡聚焦在需要強(qiáng)化的牙齒表面，再進(jìn)行強(qiáng)化固齒。其中，所述計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)采用自行開發(fā)的開放式分布控制系統(tǒng)，用一臺控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，通過現(xiàn)場總線將激光器、數(shù)控疊加式工作平臺、檢測與輔助功能控制連接起來，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)的信息交換。根據(jù)系統(tǒng)的工作要求，各環(huán)節(jié)的控制器負(fù)責(zé)具體對象的控制，相互間的信息交換通過上位機(jī)進(jìn)行，系統(tǒng)在上位機(jī)的協(xié)調(diào)和控制下可以進(jìn)行手動操作也可以根據(jù)輔助激光沖擊軟件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，設(shè)計(jì)的功能如下
手動操作功能
1、X、Y、Z、方向的點(diǎn)動控制，每次點(diǎn)動的位移可以設(shè)定，設(shè)定的行程從0.l-9mm 或0. 1-9度；
2、X、Y、Z、方向的長動控制，長動的速度可以可以設(shè)定，設(shè)定的速度從1一 50mm; 長動與點(diǎn)動具有互鎖關(guān)系，兩者同時(shí)只能選擇一種功能。輔助功能
1、光閘的開關(guān)激光器采用光閘的激光束進(jìn)行控制，光閘打開時(shí)激光脈沖才可以輸
出；
2、點(diǎn)燈預(yù)熱與取消由于釹玻璃激光器工作前要進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到熱平衡和激光脈沖的輸出能量才能達(dá)到設(shè)定值，此功能即為此而設(shè)計(jì)；
3、沖擊頻率設(shè)置設(shè)置系統(tǒng)集成后激光器的擊發(fā)頻率，數(shù)據(jù)在0.1-0. 5HZ ；
4、重復(fù)次數(shù)設(shè)置設(shè)定重復(fù)沖擊和循環(huán)沖擊的次數(shù)；
5、沖擊電壓的設(shè)置用于設(shè)定激光器電源預(yù)放級的最高電壓設(shè)定，以決定激光脈沖的能量大小，這一功能也是在手動時(shí)有效；
沖擊控制
單次沖擊讓激光器按照設(shè)定參數(shù)進(jìn)行一次沖擊； 單段沖擊系統(tǒng)執(zhí)行編緝框內(nèi)光標(biāo)選中的一段程序； 連續(xù)沖擊；系統(tǒng)從編緝框的第一個程序段開始依次執(zhí)行所有程序； 重復(fù)沖擊；系統(tǒng)重復(fù)執(zhí)行程序框光標(biāo)選中的程序，執(zhí)行次數(shù)由重復(fù)次數(shù)確定； 沖擊結(jié)束沖擊停止。本發(fā)明的有益效果為
1)激光器工作臺的高度可以任意變化。本裝置的激光器工作臺采用防震平衡平臺(包括無油空氣壓縮機(jī))，與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連接，通過軟件操作簡單容易；工作臺主要用于支撐激光器、光學(xué)透鏡、夾具、人體等。數(shù)控疊加式工作平臺通過步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)， 采購容易，接線簡單，因而易于實(shí)現(xiàn)；本發(fā)明利用激光沖擊產(chǎn)生的等離子體沖擊波的力學(xué)效應(yīng)，因此強(qiáng)化過程中作用力不大，而且作用時(shí)間短。2)激光器的波長和能量可以根據(jù)強(qiáng)化效果進(jìn)行調(diào)節(jié)。激光器的原始波長是1064nm，經(jīng)過二倍晶體倍頻后得到532nm波長，三倍晶體倍頻后得到355nm波長，四倍晶體倍頻后波長。倍頻過程由工控機(jī)控制通過運(yùn)動控制卡控制的步進(jìn)電機(jī)裝置自動實(shí)現(xiàn)。能量的變化可以通過上位機(jī)對YAG激光器電源控制系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)。3)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單容易實(shí)現(xiàn)，價(jià)格便宜，柔性較高?？刂葡到y(tǒng)采用計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)，由于系統(tǒng)集成和上下位機(jī)都是自行設(shè)計(jì)，而且是模塊化的，可以對各功能和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改和版本更新。根據(jù)系統(tǒng)的工作要求，各環(huán)節(jié)的控制器負(fù)責(zé)具體對象的控制，相互間的信息交換通過上位機(jī)進(jìn)行，系統(tǒng)在上位機(jī)的協(xié)調(diào)和控制下可以進(jìn)行手動操作也可以根據(jù)輔助激光沖擊軟件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，不同的沖擊強(qiáng)化要求，不同的組合方式都可以通過更改軟件程序?qū)崿F(xiàn)。


圖1激光器控制系統(tǒng)框圖。圖2計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)控制框圖。圖3納秒激光沖擊強(qiáng)化固齒裝置示意圖。圖4納秒激光沖擊注入處理工藝原理圖。圖5牙齒注入強(qiáng)化修復(fù)示意圖。圖6激光器系統(tǒng)的總體光路分布圖。圖7數(shù)控疊加式工作平臺。圖中，1、防震平衡平臺；2、無油空氣壓縮機(jī)；3、納秒激光器；4、聚焦透鏡；5、45度激光全反射鏡；6、數(shù)控疊加式工作平臺；7、計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)；8、納秒激光；9、光學(xué)透鏡；10、鈦合金粉末注入物；11、鈦合金粉末修復(fù)強(qiáng)化層；12、牙釉質(zhì)；13、牙本質(zhì)；14、牙冠； 15、底座；16、下平臺Y向伺服電機(jī)；17、下平臺Y向直線滑臺；18、上平臺Y向伺服電機(jī)；19、 沖擊強(qiáng)化工作平臺；20、上平臺Y向直線滑臺；21、下平臺X向直線滑臺；22、下平臺X向伺服電機(jī)；23、Z向伺服電機(jī)；24、Z向直線滑臺；25、上平臺X向直線滑臺；26、上平臺X向伺服電機(jī)；27、立柱；28、總線接口 ；
LD 半導(dǎo)體激光器諷0°全反射鏡；M2 :45°全反射鏡；PC :KD*P普克爾盒；PP 偏振鏡； PI 隔離器；SL 擴(kuò)束鏡；PA、MA 釹玻璃棒。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一a. “治療者”戴上護(hù)目鏡及開口器，躺在沖擊強(qiáng)化工作平臺19上(圖6 中19所示)進(jìn)行頭部位置固定，清理口腔及需要強(qiáng)化的牙齒。b.清洗、消毒以后，在唇內(nèi)側(cè)涂上唇油及牙齦保護(hù)劑，固化牙齦保護(hù)劑后在需強(qiáng)化的牙齒表面均勻涂上配制好的鈦合金粉末，涂覆厚度約為l_2mm。c.采用本發(fā)明裝置，在計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)7上通過輔助激光沖擊軟件進(jìn)行激光強(qiáng)化固齒參數(shù)調(diào)節(jié)，選用激光輸出參數(shù)為輸出波長為1. 064 μ m，激光脈寬為10 20ns，沖擊功率選擇0. 2GW/cm2，激光光斑選擇1 3mm (根據(jù)強(qiáng)化面積確定)，入射角度選為90度垂直入射，調(diào)整到最佳激光入射位置。d.通過計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)7調(diào)整沖擊光路，調(diào)整下數(shù)控疊加式工作平臺6，確保牙齒沖擊部位的準(zhǔn)確后，開始圖1所示的沖擊強(qiáng)化固齒。
e.激光強(qiáng)化固齒完成后，吸掉殘留的鈦合金粉末，使用口腔專用拋光膏拋光牙齒表面，取出牙齦保護(hù)劑、開口器等，修復(fù)強(qiáng)化完成后，用專業(yè)漱口水清潔口腔即可，圖2為注入效果示意圖，激光強(qiáng)化注入后，牙齒表面硬度大大增強(qiáng)，有效防止牙齒的磨損及牙齒齲病，達(dá)到強(qiáng)化固齒的目的，從而提高牙齒的抗腐蝕性及壽命。實(shí)施例二 在假牙及牙齒填充材料的強(qiáng)化過程中，采用直接方法，直接把假牙及填充材料固定在數(shù)控疊加式工作平臺6的下平臺上，調(diào)整激光沖擊強(qiáng)化固齒的主要工藝參數(shù)，選用激光輸出參數(shù)為輸出波長為Ι.ΟΜμπι，激光脈寬為10 ns，沖擊功率選擇0.2GW/ cm2,設(shè)置好沖擊次數(shù)就可以進(jìn)行強(qiáng)化改性，沖擊完成后對沖擊部位進(jìn)行休整、拋光處理，這種改性處理后，其耐磨耐酸壽命約為20年以上，已基本上能滿足口腔牙齒的壽命要求。
權(quán)利要求
1.一種提高牙齒耐磨耐腐性的納秒激光裝置，其特征在于，包括計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng) (7)、激光器(3)、數(shù)控疊加式工作平臺(6)、防震平衡平臺(1)；所述激光器C3)安裝在防震平衡平臺⑴上。
2.一種提高牙齒耐磨耐腐性的納秒激光裝置，其特征在于，所述數(shù)控疊加式工作平臺 (6)分為上下兩個工作平臺，上平臺固定45度激光全反射鏡(5)、聚光鏡(4)，所述45度激光全反射鏡(5)指向激光器(3)的激光頭；上平臺為平面兩個直線運(yùn)動的平臺，運(yùn)動方向分別為X、Y方向，上平臺X方向直線運(yùn)動通過上平臺X向伺服電機(jī)(26)控制，沿上平臺X 向直線滑臺(25)移動，上平臺X向直線滑臺(25)安裝在立柱(27)的側(cè)邊上，立柱(27)固定在底座(15)上；上平臺Y方向直線運(yùn)動通過上平臺Y向伺服電機(jī)(18)控制，沿上平臺Y 向直線滑臺00)移動，上平臺Y向直線滑臺OO)安裝在上平臺X向直線滑臺05)的側(cè)邊上；下平臺為人體位置調(diào)節(jié)平臺，具有豎直和平面三個直線運(yùn)動平臺，分別是X、Y、Z方向，Z 方向直線運(yùn)動通過Z向伺服電機(jī)03)控制，沿Z向直線滑臺04)移動，Z向直線滑臺04) 安裝在立柱(XT)的側(cè)邊上，下平臺X方向直線運(yùn)動通過下平臺X向伺服電機(jī)02)控制，沿下平臺X向直線滑臺移動，下平臺X向直線滑臺安裝在Z向直線滑臺04)上， 下平臺X向直線滑臺的側(cè)面安裝下平臺Y向直線滑臺(17)，在下平臺Y向直線滑臺 (17)上面安裝沖擊強(qiáng)化工作平臺(19)；下平臺Y方向的運(yùn)動通過下平臺Y向伺服電機(jī)(16) 控制，上下平臺的所有伺服電機(jī)通過現(xiàn)場總線(CAN)與計(jì)算機(jī)(7)相連接，通過計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)上下平臺的移動。
3.一種提高牙齒耐磨耐腐性的納秒激光裝置，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)用一臺控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，通過現(xiàn)場總線將激光器(3)、數(shù)控疊加式工作平臺(6)及防震平衡平臺(1)連接起來。
4.一種提高牙齒耐磨耐腐性的納秒激光裝置，其特征在于，所述激光器(3)為釹玻璃調(diào)Q脈沖激光器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能夠提高牙齒耐磨性及耐腐性的納秒激光裝置，涉及口腔臨床與材料處理加工應(yīng)用相結(jié)合的牙科醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，解決牙齒，特別是假牙或牙齒填補(bǔ)材料在酸性口液中容易產(chǎn)生酸性腐蝕和磨損的難題。本發(fā)明利用激光沖擊產(chǎn)生的注入及強(qiáng)化效應(yīng)，將鈦合金粉末注入牙釉質(zhì)表層，提高牙齒表面的耐磨性和抗蝕性，有效地改善牙齒的表面堅(jiān)固性能，修復(fù)粘膜損傷，特別能有效防止鈦合金被口腔內(nèi)酸性溶液腐蝕，也解決了原先金牙或金合金假牙硬度不夠的問題。
文檔編號A61K41/00GK102166138SQ201110065438
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月18日
發(fā)明者任旭東, 周益軍, 姜大偉, 張永康, 張?zhí)? 皇甫喁卓, 阮亮 申請人:江蘇大學(xué)