激光声表面波用于人类龋齿特性的理论研究(2)
龋齿是一种最常见的高发性牙科传染性疾病，产生的原因有营养性龋齿及口腔不卫生两种；口腔内的微生物产生乳酸和醋酸，使牙釉质的主要成分溶解，使牙釉质软化变为多孔的易渗透结构，这个过程通常伴随有牙齿颜色的变化；但有时在牙齿表面却表现为亮色，很难被发现 [7-8]。初期龋齿表现一般为白色不透明的斑点，是由于脱矿引起的，称之为白斑。目前医疗上，传统的龋齿诊断方法包括：使用口镜进行视觉诊断、牙科探针和X光片，其中视觉主观诊断分辨率低于30%，而使用探针可能会将早期病变的浅表层推入且造成窝洞，照X光片诊断正确率也只有67%[9-10]左右且很难侦测出初期龋齿，对人的身体健康也不利。传统诊断方法很难诊断出早期龋齿，更无法定量诊断脱矿程度，更无法定量评估牙齿组织的弹性模量，而弹性模量的大小直接反应了牙齿的矿物质含量。目前测量牙齿硬组织的方法主要有[7-8]：应变传感器测量法、显微压痕硬度法、扫描电镜、超声技术，这些方法都是接触式的，并且仅适用于离体牙齿的测量，不能用于临床诊断。牙齿的损害通常是不可逆转的，所以初期龋齿的正确诊断就格外重要，对初期龋齿诊断技术的相关研究在20世纪七十年代就已经开始了，主要包括：光散射法、光纤透射法、染料渗入法、紫外光照射法和激光荧光法，其中紫外光照射法和染料渗入法因材料有毒没有继续研究[11]，进一步研究衍生出了下列集中典型的光学诊断方法：数字成像光纤透射法、激光感生荧光法、多光子荧光成像法、拉曼偏振光谱分析法、光相干层析技术，但这些方法都有各自的局限性：数字成像光纤透射法就只适用于邻面龋，对活体咬合面不能进行操作；激光感生荧光法因装置原因会产生误诊，牙齿的填充物和牙结石等经常被诊断为龋齿[12]；多光子荧光成像法由于激光成像设备太大太复杂只能用于离体牙齿等等。各种诊断方法各有弊端，至今还没有一个完善的技术能应用于临床检测。
激光超声技术[4]是利用激光来激发和检测超声的一门技术，是一种新的无损评估方法，其中激光超声检测是激光辐照样品产生激光超声，通过对反射或透射的超声波的特征参数进行分析从而了解样品的弹性性质和缺陷特征的一种新型检测技术[13]；激光激发的超声波具有瞬态、有多种模态结构和宽频带等特点，而且激光源和激光超声信号接收系统皆可远离样品，故能恶劣的环境下工作，实用性强，所以在无损检测领域得到越来越广泛的应用[13-15]。激光激发超声有两种机理[16]：热弹性激发和融蚀激发，如图1-1[3]所示，当激光入射到物质表面，会被其迅速吸收，在激光辐照期间，物质吸收的激光能量而产生的热量来不及扩散，会在物质表面层的附近形成很大的热梯度，从而导致热膨胀，并且由于周围媒介的约束会产生一个应力分布，从而产生超声波在物质中传播，这种激光激发超声的机制称为热弹激发超声，在检测低强度激光照射物质表面的过程得到广泛研究；但当输出的激光产生的能量使晶格动能超出物质的弹性限度，物质被照射的地方就会出现熔融和熔蚀的情况，并且伴有等离子体的出现，这种激发超声的机制称为融蚀机制。其中热弹性激发产生超声时，物质表面没有收到破坏，并且可以进行重复测量，所以相比较而言热弹机制产生的超声波更加适宜于无损检测，本文主要研究的为热弹机制下激光超声在材料中的传播特性[17-18]。
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