Влияние расстояния на излучение и однородность светового пучка четырех светоизлучающих диодных установок для полимеризации

Профессор Ричард Б. Прайс

Лаборант-исследователь Кристофер М. Феликс

Кафедра стоматологических клинических наук

Адъюнкт-профессор Дэниел Лабри, кафедра физики и науки об атмосфере

Научный сотрудник Дж. Марк Уолен, кафедра химии

Effect of distance on irradiance and beam homogeneity from 4 light-emitting diode curing units

Professor Richard B. Price
Research assistant Christopher M. Felix
Department of dental clinical sciences
Associate professor Daniel Labrie, Department of physics and atmospheric science
Research associate J. Marc Whalen, Department of chemistry, Dalhousie University (Halifax, Nova Scotia, Canada)

Summary The light-curing times recommended by dental manufacturers are based on placing the tip end of the curing light as
close as possible to the surface of the resin, but in clinical situations, this positioning is often difficult or impossible to achieve.
As a result, the manufacturer’s curing times may underestimate the times required to adequately cure the resin at the bottom of the
interproximal box. To differentiate the curing effectiveness among the various curing lights, it is important to characterize curing
lights away from their tip ends. Although beam profiling of curing lights has been performed, the irradiance distribution from
curing lights has not been quantified at clinically relevant distances from the light-emitting tip. Such measurement should provide
a more thorough understanding of the reasons for variation in the curing effectiveness of different curing lights.

Время полимеризации, рекомендованное производителями, зависит от расположения го ловки полимеризационной лампы как можно ближе к поверхности композита, но в клинических условиях достичь такого положения бывает трудно или вовсе невозможно. Например, расстояние между краем бугорка коронки зуба и дном кариозной полости может превышать 7 мм [5, 6, 11, 20]. Это расстояние значительно сократит интенсивность света, необходимую для фотоактивации композита [3, 4, 9]. В результате период полимеризации, указанный производителем, может не учитывать время, необходимое для правильной полимеризации композита на дне интерапроксимальной полости. Чтобы определить эффективность полимеризации разных полимеризационных ламп необходимо оценивать лампы отдельно от головок. В одном из выпусков Professional Products Review Американской стоматологической ассоциации (ADA), речь шла о том, что при увеличении расстояния от кончика световода с 2 до 9 мм интенсивность излучения полимеризационной лампы Bluephase 16i (Ivoclar-Vivadent, США) сокращается на 68%, лампы Demi (Kerr Corp., США) – на 52%, а полимеризационной установки Fusion (DentLight, США) – всего лишь на 35% [17]. Сокращение интенсивности излучения установки Bluephase 16i оказалось в пределах нормы (до 400 мВт/см²) – минимального излучения, необходимого для адекватной полимеризации композита [16]. Однако необходимое для адекватной полимеризации излучение зависит как от освещения, так и от продукта, и может превышать 400 мВт/см². В испытаниях глубины полимеризации композита по стандарту ISO для реставрационных материалов на полимерной основе используется образец с внутренним диаметром 4 мм. Таким образом, когда глубина полимеризации проверяется по тесту ISO, диаметр пучка полимеризационной лампы должен быть больше, чем 4 мм [7], а минимальное полезное излучение полимеризационной лампы – хотя бы 400 мВт/см².

  Некоторые полимеризационные лампы включают световод, а сочетание световода и внутренней оптики установки влияет на интенсивность излучения и однородность пучка. Ряд производителей предлагают турбосветоводы для увеличения светоотдачи. В одном из исследований доказано, что при положении головки световода на поверхности композита турбосветовод 13/8 мм (13 мм – входной диаметр, 8 мм – выходной) увеличил излучение на 52%, что можно сравнить с результатами стандартного световода 8 мм, используемого с той же полимеризационной лампой [11]. Однако на расстоянии 5 мм от головки стандартный световод обеспечил большее излучение, чем световод 13/8 мм.

По сообщению ADA, полимеризационная лампа Bluephase 16i работает со световодом 13/8 мм, который, вероятно, и приводит к 68%-ному сокращению излучения на расстоянии в 9 мм от световода [17].

По некоторым данным, турбосветоводы с большим соотношением входного и выходного диаметров (соотношение R) более эффективны, чем стандартные световоды для полимеризации композита на расстоянии 5 мм от кончика световода до поверхности композита [3, 18]. Однако на расстоянии, превышающем 5 мм от головки, стандартные световоды с более низким соотношением R вырабатывали большую интенсивность излучения в центре светового пучка. Они оказались более эффективными при полимеризации композита. Авторы исследования пришли к выводу, что турбосветоводы не следует применять при полимеризации композитов, если головка световода не расположена вблизи поверхности композита, например при реставрации класса II [3].

Предыдущие исследования включали качественную визуализацию влияния расстояния на различное распределение светового луча от полимеризационных ламп [11, 17–19], но вопросы вычисления распределения излучения, как функции расстояния и определения эффективного диаметра пучка полимеризационной лампы остаются нерешенными. Снижение интенсивности и увеличение расстояния определяли путем обзора концентрических кругов на миллиметровой бумаге и выявлением разницы в яркости на различных расстояниях. В дополнение были зафиксированы показатели излучения на расстоянии 2 и 9 мм от головки полимеризационной лампы. В других исследованиях светоотдача головки полимеризационной лампы оказалась неоднородной, что привело к неоднородности полимеризации на поверхности образцов композита [2, 12–14, 18, 19].

В настоящее время анализаторы лазерного пучка – лучший способ количественного определения распределения мощности (однородности) в пучке света. Этот показатель, фактор цилиндра, может быть использован для описания степени пространственной [8, 14, 18, 19] и спектральной [13] однородности распределения мощности полимеризационной лампы. Факторы цилиндра в промежутке от 0,38 до 0,76 зафиксированы у различных полимеризационных ламп. Использование турбосветовода c полимеризационной лампой значительно снижает фактор цилиндра [19, 14].

Несмотря на то, что был произведен анализ пучка полимеризационной лампы, распределение интенсивности излучения на соответствующих клиническим расстояниях от светоизлучающей головки не подсчитывали. Такое измерение предоставило бы более доскональное понимание причин варьирования эффективности полимеризации различных полимеризационных ламп.

Цель исследования

Определить влияние расстояния на интенсивность излучения в центре пучка (I_CB) и общую однородность пучка. Протестировать три гипотезы. Первая: для четырех серийных полимеризационных ламп на исследуемых расстояниях показатель I_CB будет различаться и снизится при увеличении расстояния. Вторая: однородность пучка, описанная фактором цилиндра, будет различаться, но останется в среднем неизменной при увеличении расстояния. Третья: полезный диаметр пучка останется выше 4 мм на расстоянии 8 мм от светоизлучающей головки.

Материалы и методы

Оценивали четыре светодиодные (LED) полимеризационные лампы: Fusion со светодиодным чипом на длину волны 450 нм, стандартной световой головкой и фокус-линзой; Bluphase 16i с турбосветоводом и гидроусилителем светового датчика 13/8 мм; Demi с турбосветоводом; FlashLite Magna. 

Рис. 1 Сравнение диаметров реставрации I класса (а) и датчика (внутренний диаметр 3,9 мм, б). Изображение распределения энергии (в) показывает центральный регион, соответствующий области датчика

Интенсивность излучения (мВт) каждой полимеризационной установки была трижды измерена датчиком диаметром 3,9 мм с коррекцией косинуса на расстоянии 1 мм при увеличении до 9 мм. Лабораторный спектрорадиометр (USB 4000, Ocean Optics) был подсоединен к датчику со спектрами в УФ и видимой области оптико-волоконного кабеля. Датчик и полимеризационную лампу устанавливали на оптическую скамью для более точного положения.

Рис. 2 Расстояние между головкой полимеризационной лампы и поверхностью композита в препарировании кариозной полости II класса, заканчивающейся над цементоэмалевой границей коронки зуба: а) 2 мм, б) 4 мм, в) 8 мм

Распределение интенсивности излучения светового пучка каждой полимеризационной лампы было измерено лазерным пучком-профайлером [10, 13, 14]. Расстояние между линзой камеры и экраном было неизменным в продолжение всего эксперимента. Чтобы измерить влияние расстояния полимеризационной лампы на распространение интенсивности излучения, излучающая головка каждой установки была зафиксирована параллельно экрану на расстояниях 2, 4, 6 и 8 мм.

Хотя установлено, что препарирование кариозных полостей имеет различные формы, размер представленной реставрации I класса (рис. 1, а) соотносился с активным диаметром 3,9 мм СС3-УФ датчика (рис. 1, б). Для того чтобы откалибровать изображение пучка, интенсивность излучения в его центре была измерена 5 раз с перемещением света между измерениями для всех четырех расстояний от конца полимеризационной установки с помощью СС3-УФ датчика, подсоединенного к спектрометру. Центральная кольцевая зона каждого цифрового изображения соответствовала поперечному разрезу пучка, выделенного датчиком (рис. 1, в). На основе размеров центральной кольцевой зоны создали откалиброванные 2D и 3D изображения распределения излучения. Расстояния в 2, 4 и 8 мм показаны на моляре с препарированной кариозной полостью II класса, в 2 и 4 мм отражают положения световой головки в контакте с краем бугорка коронки зуба, расстояние в 8 мм фиксирует положение, в котором световая головка находится в 4 мм от поверхности композита (рис. 2).

Для каждой полимеризационной лампы получены изображения откалиброванного распространения интенсивности излучения на всех четырех расстояниях. Для характеристики однородности пучка на каждом расстоянии подсчитаны факторы цилиндра. Полезный диаметр пучка, соответствующий диаметру поперечного разреза пучка с величинами интенсивности излучения выше 400 мВт/см² также был посчитан как функция расстояния. Для сравнения I_CB, фактора цилиндра и полезного диаметра пучка как функции расстояния четырех полимеризационных ламп применен дисперсионный анализ. Критерий наименьшей значимой разности Фишера (PLSD) апостериорный критерий множественного сравнения применяли для сравнения разницы I_CB, фактора цилиндра и полезного диаметра пучка полимеризационных ламп на каждом расстоянии. Все статистические тестирования проводили с предварительной установкой α на 0,01 (а не 0,05).

Результаты и их обсуждение

Влияние расстояния на I_CB
Показатели I_CB полимеризационных ламп значительно различались на разных расстояниях (табл. 1, рис. 3), как и влияние расстояния на интенсивность излучения (двухфакторная модель дисперсионного анализа, р<0,001). На расстояниях 1, 2, 3, 7, 8 и 9 мм показатели I_CB всех четырех полимеризационных ламп значительно различались (критерий PLSD наименьшей значимой разности Фишера апостериорный критерий множественного сравнения). Однако на расстоянии 4, 5 и 6 мм значительных различий в ICB между установками Bluephase 16i и Demi отмечено не было.

Прим.: SD – допустимое отклонение; показатели незначительно различаются для расстояния:
a – 3 мм (PLSD, р=0,03); b – 4 мм (PLSD, р=0,92); с – 5 мм (PLSD, р=0,09)

Влияние расстояния на распределение интенсивности излучения

Репрезентативные 2D и 3D изометрические, помеченные цветом изображения интенсивности излучения четырех полимеризационных ламп на расстоянии 2, 4 и 8 мм (рис. 4) показывают, что FlashLite Magna имеет наибольший диаметр пучка, но его распределение интенсивности излучения неоднородно.

Факторы цилиндра основаны на всем изображении для каждой полимеризационной лампы и расстояния (табл. 2). Расстояние не имело большого влияния на фактор цилиндра. Факторы цилиндра были одинаковы для полимеризационных ламп Fusion (0,62–0,67) и Demi (0,65–0,69) на всех расстояниях (критерий PLSD наименьшей значимой разности Фишера апостериорный критерий множественного сравнения, р=0,07). Однако однородность пучка установки Bluephase 16i, указанная фактором цилиндра (0,47–0,52), была значительно ниже (р<0,01), а у установки FlashLite Magna факторы цилиндра оказались самыми низкими (0,36–0,40, р<0,01).

Прим.: SD – допустимое отклонение; показатели незначительно различаются для расстояния:
a – 2 мм (PLSD, р=0,74); b – 4 мм (PLSD, р=0,39); с – 6 мм (PLSD, р=0,46); d – 8 мм (PLSD, р=0,03)

а    б
Рис. 4 Изображения изометрического распределения интенсивности излучения четырех
полимеризационных ламп на расстоянии 2, 4 и 8 мм от светоизлучающей головки:
а) двухмерное, б) трехмерное. Все изображения имеют одинаковую длину и размеры излучения  

Полимеризационные лампы Fusion и Demi имели полезные диаметры пучка, схожие между собой и большие, чем у Bluephase 16i на каждом расстоянии (табл. 3, рис. 5). Из-за высокой неоднородности полезный диаметр пучка не мог быть посчитан для полимеризационной лампы FlashLite Magna. В этом случае изображение 3D (см. рис. 4) показало области низкой и пики очень высокой интенсивности излучения.

Рис. 5 Полезный диаметр пучка с излучением выше
400 мВт/см2как функция расстояния трех
полимеризационных ламп. У лампы FlashLite Magna
 недостаточно необходимого показателя пучка,
поэтому установка исключена из данного анализа 

Прим.: SD – допустимое отклонение, показатели незначительно различаются для расстояния:
a – 2 мм (PLSD, р=0,14); b – 4 мм (PLSD, р=0,02); с – 8 мм (PLSD, р=0,41) 

И установка, и расстояние повлияли на полезный диаметр пучка. На расстоянии 2 мм полезный диаметр пучка установок Bluephase 16i и Demi не различался (критерий наименьшей значимой разности Фишера апостериорный критерий множественного сравнения, р=0,14, табл. 3). На расстояниях 6 и 8 мм полезный диаметр пучка Bluephase 16i был значительно меньше (4,90 и 2,60 мм соответственно), чем у установок Demi и Fusion (все больше 5 мм). На расстоянии 8 мм разницы в полезном диаметре пучка полимеризационных ламп (р=0,41) Fusion (5,31) и Demi (5,36 мм) не отмечено. Все исследуемые полимеризационные лампы – монокомпонентные светодиодные установки с одинаковым спектральным излучением (рис. 6).

Рис. 6 Спектральное излучение четырех полимеризационных ламп 

Первая гипотеза

Показатель I_CB излучения, доставляемого при реставрации, значительно варьировал у четырех полимеризационных ламп, протестированных в ходе данного исследования. Также у всех ламп показатель I_CB снизился с увеличением расстояния, а уровень уменьшения различался. Соответственно, первая гипотеза данного исследования подтвердилась. На расстояниях 1, 2, 3, 7, 8 и 9 мм от края полимеризационной лампы замечена значительная разница интенсивности излучения, доставляемой каждой лампой. Полимеризационная лампа Fusion поставила значительно большее I_CB на всех расстояниях – от 2757±16 мВт/см² на 1 мм до 866±27 мВт/см² на 9 мм от края. На расстояниях 4, 5 и 6 мм I_CB, доставляемое полимеризационными лампами Bluephase 16i и Demi, значительно не различалось. Из-за различных характеристик распыления пучка установка Demi поставила большее I_CB, чем Bluephase 16i на расстояниях свыше 6 мм. Относительное снижение интенсивности излучения Bluephase 16i приписывается совместному влиянию внутренней оптики установки и турбосветовода на однородность пучка. Только полимеризационная лампа Fusion поддерживала показатель I_CB выше 1000 мВт/см² на расстоянии 8 мм. Самые низкие показатели ICB – от 1026±32 мВт/см² на 1 мм до 261±20 мвт/см² на 9 мм отмечены у FlashLite Magna. ICB для полимеризационных ламп Fusion и Demi осталось выше минимального порога излучения в 400 мВт/см² на всех расстояниях, в то время как лампы Bluephase 16i и FlashLite Magna упали ниже порога на расстояниях 9 и 7 мм соответственно.

Вторая гипотеза

Профили пучка различались визуально и количественно у четырех полимеризационных ламп. Также значительно отличались факторы цилиндра, в то время как расстояние не имело значительного влияния на фактор цилиндра, что подтвердило вторую гипотезу. Отдача Bluephase 16i повторяла коническое распределение, накладываемое на цилиндр, и, соответственно, у данной полимеризационной лампы факторы цилиндра были ниже (0,47–0,52). FlashLite Magna не показала четкого пучка и имела наиболее низкие факторы цилиндра на исследуемых расстояниях. Фактор цилиндра каждой полимеризационной установки достоверно не изменялся с увеличением расстояния. Таким образом, несмотря на расхождение пучка, основная форма сохранилась на расстоянии 8 мм от световой головки.

Третья гипотеза

Национальный институт стандартов и ассоциация ADA отмечают, что общая минимальная интенсивность излучения стоматологической полимеризационной установки должна составлять минимум 300 мВт/см² [1]. Однако полезные диаметры пучка в данном исследовании основаны на диаметре светового пучка с интенсивностью излучения выше 400 мВт/см². Данный показатель выбран, поскольку ранее считался минимальной полезной интенсивностью излучения, необходимой для адекватной полимеризации композита и, следовательно, позволил верно определить полезный диаметр для каждой полимеризационной установки на каждом расстоянии. Если для конкретного композита необходима более высокая интенсивность излучения, то полезный диаметр пучка будет соответственно меньшим. На расстоянии 2 мм полимеризационная лампа Fusion имела самый широкий полезный диаметр пучка (7,11±0,04). Значительной разницы в полезном диаметре пучка полимеризационных установок Bluephase 16i и Demi не отмечено. На клинически значимых расстояниях 2 и 4 мм полезный диаметр пучка Fusion, Bluephase 16i и Demi составил 6–7 мм. Этот диаметр больше диаметра реставрации кариозной полости I класса. Иными словами, на данных клинических расстояниях невозможно донести адекватную интенсивность излучения, если свет будет располагаться на несколько мм в стороне от области реставрации. Однако на расстояниях 6 и 8 мм полезный диаметр пучка Bluephase 16i значительно уменьшился, достигнув показателей полимеризационных ламп Fusion и Demi. А на расстоянии 8 мм полезный диаметр пучка Bluephase 16i достиг 2,60±0,08 мм. Соответственно, третья гипотеза о том, что полезный диаметр пучка будет больше 4 мм на расстоянии 8 мм от светоизлучающей головки, была опровергнута. Полезный диаметр пучка в 2,60 мм меньше, чем диаметр реставрации I класса или образца глубины полимеризации по ISO. В результате, с увеличением расстояния между зубом и Bluephase 16i с турбосветоводом 13/8 мм последствия перемещения полимеризационной лампы и ошибки оператора будут намного серьезнее. На расстоянии 8 мм и больше из-за небольших латеральных движений полимеризационная лампа доставит в реставрацию меньше 400 мВт/см².

Выводы

На исследуемых расстояниях показатель ICB значительно варьировал у четырех тестируемых полимеризационных ламп. Лампы также значительно различались по однородности пучка, что охарактеризовано факторами цилиндра. Факторы цилиндра были одинаковыми у полимеризационных ламп Fusion и Demi на всех расстояниях, но оказались ниже у Bluephase 16i и самыми низкими у FlashLite Magna. На расстоянии 8 мм полезный диаметр пучка установки Bluephase 16i был меньше 4 мм и значительно ниже, чем у полимеризационных ламп Fusion и Demi. Наконец, если время полимеризации не будет увеличено, полимеризационные лампы, доставляющие высокую интенсивность излучения, превышающее 1000 мВт/см² на излучающей головке, будут неадекватно полимеризовать композит на дне кариозной полости глубокой реставрации II класса. Данные результаты показывают, что глубокие реставрации могут быть недостаточно полимеризованы, если время полимеризации основано на данных, полученных в тот момент, когда полимеризационная лампа расположена близко к радиометру композита.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ANSI/ADA Specification № 48: Visible Light Curing Units. – Chicago, IL: American National Standards Institute, 2004, 830 р.
2. Arikawa H., Kanie T., Fujii K. et al. Effect of inhomogeneity of light from light curing units on the surface hardness of composite resin. – Dent. Mater. J., 2008, № 27 (1), р. 21–28.
3. Corciolani G., Vichi A,. Davidson C.L. et al. The influence of tip geometry and distance on light-curing efficacy. – Oper. Dent., 2008, № 33 (3), р. 325–331.
4. Felix C.A., Price R.B. The effect of distance from light source on light intensity from curing lights. – J. Adhes. Dent., 2003, № 5 (4), р. 283–291.
5. Fróes-Salgado N.R., Pfeifer C.S., Francci C.E. et al. Influence of photoactivation protocol and light guide distance on conversion and microleakage of composite restorations. – Oper Dent., 2009, № 34 (4), р. 408–414.
6. Halvorson R.H., Erickson R.L., Davidson C.L. An energy conversion relationship predictive of conversion profiles and depth of cure for resin-based composite. – Oper. Dent., 2003, № 28 (3), р. 307–314.
7. International Standard 4049. Dentistry – polymer-based filling, restorative and luting materials. – Geneva, Switzerland: International Organization for Standardization, 2000, 340 р.
8. LBA-USB Beam Profiler User Guide. – Logan, UT: Ophir-Spiricon, 2006, 750 р.
9. Leonard D.L., Charlton D.G., Hilton T.J. Effect of curing-tip diameter on the accuracy of dental radiometers. – Oper Dent., 1999, № 24 (1), р. 31–37.
10. Nitta K. Effect of light guide tip diameter of LED-light curing unit on polymerization of light-cured composites. – Dent. Mater., 2005, № 21 (3), р. 217–223.
11. Price R.B., Dérand T., Sedarous M. et al. Effect of distance on the power density from two light guides. – J. Esthet. Dent., 2000, № 12 (6), р. 320–327.
12. Price R.B., Fahey J., Felix C.M. et al. Knoop microhardness mapping used to compare the efficacy of LED, QTH and PAC curing lights. – Oper Dent., 2010, № 35 (1), р. 58–68.
13. Price R.B., Labrie D., Rueggeberg F.A. et al. Irradiance differences in the violet (405 nm) and blue (460 nm) spectral ranges among dental light-curing units. – J. Esthet. Restor. Dent., 2010, № 22 (6), р. 363–377.
14. Price R.B., Rueggeberg F.A., Labrie D. et al. Irradiance uniformity and distribution from dental light curing units. – J. Esthet. Restor. Dent., 2010, № 22 (2), р. 86–101.
15. Roberts H.W., Vandewalle K.S., Berzins D.W. et al. Accuracy of LED and halogen radiometers using different light sources. – J. Esthet. Restor. Dent., 2006, № 18 (4), р. 214–222.
16. Rueggeberg F.A., Caughman W.F., Curtis J.W. Effect of light intensity and exposure duration on cure of resin composite. – Oper. Dent., 1994, № 19 (1), р. 26–32.
17. Spectral curing lights and evolving technology. – ADA Prof Prod Rev., 2009, № 4 (4), р. 1–12.
18. Vandewalle K.S., Roberts H.W., Andrus J.L. et al. Effect of light dispersion of LED curing lights on resin composite polymerization. – J. Esthet. Restor. Dent., 2005, № 17 (4), р. 244–254.
19. Vandewalle K.S., Roberts H.W., Rueggeberg F.A. Power distribution across the face of different light guides and its effect on composite surface microhardness. – J. Esthet. Restor. Dent., 2008, № 20 (2), р. 108–117.
20. Yearn J.A. Factors affecting cure of visible light activated composites. – Int. Dent. J., 1985, № 35 (3), р. 218–225.