Emissione termica di lampade fotopolimerizzatrici alogene e LED.

Dr. Mauro Cattaruzza – Ing. Fabio Spizzo, 2012 Emissione termica di lampade fotopolimerizzatrici alogene e LED. Introduzione Quando le lampade fotopolimerizzatrici a luce LED sono state introdotte sul mercato, tra i messaggi divulgativi prevalenti che hanno raggiunto gli operatori del settore, vi è stato quello che tali lampade fossero in grado di emettere una luce “fredda”. La temperatura di colore della luce, espressa in gradi Kelvin (fig.1), si distingue dal rosso al blu, in “calda” e “fredda” a secondo che rispettivamente possieda una lunghezza d’onda di frequenza posta verso il rosso ( luce calda) o verso il blu (luce fredda). Ogni lampada fotopolimerizzatrice, perché sia efficace, deve emettere una luce blu, di lunghezza d’onda compatibile con la sensibilità dei catalizzatori presenti nei materiali fotopolimerizzabili. Le lampade alogene emettono all’origine una luce più o meno bianca, di circa 3400 °K, successivamente modificata dall’interposizione di un filtro dicroico che seleziona la luce emessa nella sola lunghezza d’onda del blu; le lampade LED possiedono uno o più diodi monocromatici in grado di emettere all’origine una luce di colore blu. Nell’uno e nell’altro caso la luce emessa, che raggiunge clinicamente l’oggetto della fotoattivazione, è di colore blu; in entrambi i casi la luce possiede una temperatura di colore “fredda”. Fig.1 Scala della temperatura di colore espressa in gradi Kelvin. Una temperatura di colore bassa o “calda” volge verso il rosso; una temperatura di colore alta o “fredda” volge verso il blu. Il messaggio commerciale associato alla divulgazione delle lampade LED sicuramente voleva piuttosto lasciare intendere che tali lampade, diversamente da quelle alogene, fossero in grado di polimerizzare compositi e sistemi adesivi senza emettere calore, in modo più rispettoso della sensibilità del paziente o della salute pulpare nei denti vitali. L’esperienza e l’intuizione di tanti operatori, che in modo semplice e diretto, hanno provato a testare il calore emesso da una lampada LED, ponendo un dito sul puntale stesso della lampada, ha immediatamente sfatato questa opinione, poiché rapidamente la temperatura percepita, anche su di una lampada led, non consentiva di trattenere il dito per più di pochi secondi. Una lampada alogena (fig.2) produce a livello del suo bulbo una temperatura di circa 400°C. La costruzione di una lampada alogena è legata alla presenza di una parabola, posta posteriormente alla direzione di emissione luminosa, che lascia passare la radiazione infrarossa, prevalentemente associata all’emissione termica (fig.3); una ventola di raffreddamento, retrostante alla lampada alogena, dissipa buona parte del calore emesso, così che il calore associato alla luce bianca, rivolto nella direzione di fotoattivazione, risulta in realtà di gran lunga minore. Un LED di 5 W, spesso presente in tante lampade led del commercio, emette alla sua giunzione (TJ) una temperatura di 135°C; LEDs di potenza maggiore possono emettere temperature ancora maggiori, tanto che la costruzione di un led richiede sempre la presenza di un dissipatore di calore (fig.5), se non talvolta di una ventola di raffreddamento o di una struttura della lampada in metallo, capace di dissipare il calore prodotto. Fig.2 (a sinistra) Lampada alogena utilizzata in comuni lampade fotopolimerizzatrici; fig.3 (a destra) schema costruttivo di una lampada alogena. La parabola posteriore al bulbo è in grado di lasciar passare la luce Infrarossa verso il retro della lampada e di riflettere la luce visibile anteriormente. Fig. 4 (a sinistra) LED di comune impiego in lampade fotopolimerizzatrici ad uso dentale con potenza di 5 W Fig.5 (a destra) Schema costruttivo di un LED. TJ, temperatura alla giunzione; si noti la presenza di un dissipatore di calore alla base del LED. La realizzazione di lampade LED di elevata potenza, la presenza in alcune lampade di più LEDs e soprattutto la costruzione di lampade con LEDs posti direttamente sul puntale della lampada, a breve distanza dall’oggetto fotoattivato, pongono ragionevoli dubbi sulla reale emissione di calore da parte di queste lampade. In questo lavoro sono messe confronto le temperature di emissione di una lampada alogena e di due lampade LED, in modo da verificare con esattezza il diverso comportamento clinico e la veridicità o meno di certe affermazioni. Materiali e metodi La lampada alogena presa in considerazione è la Optilux 501 (Demetron-­‐Kerr). Presenta una emisione luminosa dichiarata di circa 800 mW/cm2, con puntale standard di 10 x 10 mm. La possibilità di utilizzare puntali capaci di concentrare il fascio luminoso in un’area di irradiazione minore, consente di raggiungere valori di emissione luminosa maggiori. Con il puntale “turbo” di diametro 11 x 7 mm la potenza di emissione luminosa raggiunge circa i 1240 mW/cm”; con puntale “mini-­‐turbo”, diametro 7 x 3 mm, l’emissione è di 660 mW/cm2. Tali valori di emissione luminosa sono stati misurati con il radiometro in dotazione della stessa lampada Optilux 501, opportunamente tarato sui valori di emissione luminosa del puntale standard indicati dalla ditta produttrice all’origine. Le due lampade LED qui testate sono la Bluphase C8 (Ivoclar) e la Valo (Ultradent). La Bluphase è una lampada multI-­‐wave con quattro LEDs posti alla base di un puntale di quarzo del diametro di 10 x 10 mm; la Valo è una lampada sempre multI-­‐wave, con quattro LEDs, ma posti in testa al puntale a breve distanza dall’oggetto fotoesposto. La Bluphase C8 presenta una potenza massima (high power) dichiarata di 800 mW/cm2; la Valo presenta una potenza dichiarata standard di 1000 mW/cm2, che aumenta a seconda del circuito di potenza scelto a 1400 mW/cm2 (high power) e 3200 mW/cm2 (xtra power). Poiché l’emissione termica è condizionata dalla potenza dell’emissione luminosa, l’intensità della luce emessa di tutte e tre le lampade testate è stata misurata con il radiometro integrato della lampada Optilux 501 e con il radiometro Bluphase meter (Ivoclar). Quest’ultimo è un radiometro progettato per una lettura più specifica di lampade LED. I valori di intensità luminosa di ciascuna lampada, anche in relazione al diverso puntale utilizzato, registrati con entrambi i radiometri, sono esposti nella tabella I. I valori ottenuti dall’uno e dall’altro radiometro non sono confrontabili in termini di valore assoluto per la diversità costruttiva dei due radiometri, né sempre corrispondono esattamente ai valori di emissione dichiarati dalla ditta produttrice. Fig. 6 (a sinistra) Lapdala alogena Optilux 501. Fig. 7 (a destra) Puntali in dotazione della lampada Optilux. Da sinstra a destra: standard (10 x 10 mm), turbo (11 x 7 mm), minI-­‐turbo (7 x 3 mm) Fig.8 (a sinistra) Lampada LED Bluphase C8 (Ivoclar). Fig. 9 Lampada LED Valo (Ultradent). Tab. I Valori di emissione luminosa espressi in mW/cm2 delle tre lampade testate OPTILUX 501 BLUEPHASE C8 INTENSITÀ dichiarata Standard High power Standard 800 mw/cm2 800 mw/cm2 1000 mw/cm2 1400 mw/cm2 10x10 9.6 High power Xtra power 3200 mW/cm2) PUNTALE mm 10x10 11x7 RADIOMETRO INTENSITA’ DI EMISSIONE LUMINOSA (mW/cm2) Integrato Optilux 501 860 1240 660 1370 1630 >1950 >1950 Bluephase meter 470 880 980 940 1390 1760 7x3 VALO 930 Per la misurazione della temperatura all’estremità del puntale di ciascuna lampada e stata utilizzata una fotocamera termica FLIR Thermacam E45. La temperatura che si registra su di una superficie è anche legata alla dissipazione del calore che avviene in funzione della temperatura ambiente. L’applicazione di un puntale su di una superficie dentale produce un accumulo di calore variabile a seconda della morfologia cavitaria, in quanto la presenza di più pareti cavitarie limita la dissipazione del calore. Il contenimento del calore prodotto all’interno di pareti cavitarie può produrre un aumento di temperatura significativamente più alto di quella che è la temperatura basale all’estremità del puntale. Per valutare questa diversa condizione termica tutte le misurazioni di temperatura sull’estremità del puntale sono state effettuate sul puntale libero da qualsiasi costrizione e sullo stesso puntale totalmente occluso da del nastro adesivo di colore nero. In questo secondo caso, limitando la dissipazione termica, è possibile valutare la massima emissione termica in coincidenza del puntale della lampada in condizioni di occlusione. Tale eventualità può verificarsi nei casi clinici in cui il puntale entra direttamente a contatto con la superficie dentale o con il composito, come nelle quinte classi o nelle cavità occlusali profonde, in cui il puntale, specie se sottile, entra nella cavità stessa, circondato dalle sue pareti. Fig. 10 (a sinistra) Telecamera termica FLIR Thermacam E45. Fig. 11 (a destra) Puntale occluso con nastro adesivo nero Fig. 12 Immagine termica del puntale della lampada Valo Risultati Nella tabella II sono riportati i valori di temperatura registrati su ciascuna lampada, espressi in gradi centigradi, in relazione al puntale adottato, all’intensità luminosa emessa dalla lampada, in condizioni di puntale totalmente libero o in occlusione, in relazione al tempo di emissione luminosa, da 0 a 120 secondi. Tab. II Valori di emissione termica espressi in gradi centigradi per ciascuna lampada testata con puntale in occlusione completa e non. OPTILUX 501 Puntale mm 10X10 11X7 7X3 BLUEPHASE C8 VALO 10X10 9,6 High power Standard Xtra power Intensità Standard occlusione NO SI NO SI NO SI NO SI NO SI NO SI 0 sec. 22.5 25 24 26 23 27 25 26.5 27.5 26.6 25 26.7 3 sec 26.6 71.3 30 sec. 25 62 28.5 70.6 31 99.5 60 sec. 22.7 55 26 74 45 106 25.4 71.4 30.6 77.8 35 107 120 sec. 60 82 110 82 80.5 Osservazioni La temperatura sul puntale, con o senza occlusione, appena avviata la lampada, al tempo zero, mostra modeste variazioni tra tutti i gruppi di analisi: la variazione di temperatura si estende da 22,5°C a 27°C. Le temperature registrate in condizioni di puntale non occluso rimangono basse in tutti i casi, tra i 22 e i 35 °C, indipendentemenente dal tempo di esposizione e dall’intensità della lampada. Solo per il puntale di diametro 7 x 3 mm, applicato alla lampada alogena Optilux 501, la temperatura sul puntale non occluso arriva a 45°C. Le lampade con puntale non occluso Optilux 501 e Bluphase C8 presentano temperature di emissione luminosa comprese tra 22,5°C e 26°C, per tempi di esposizione fino a 60 secondi; la lampada Valo con i LEDs posti in testa al puntale presenta, per una esposizione di 60 secondi, una temperatura di emissione superiore, pari a 30,6°C e 35°C, rispettivamente per le intensità “standard” e “Xtra power”. Anche confrontando le due lampade led su una intensità più o meno sovrapponibile, “high power” per la Bluphase e “standard” per la Valo, la temperatura sull’estremità del puntale, quando i LEDs sono posti a monte del puntale (Bluphase C8) è minore (25,4°C) rispetto a quando i LEDs sono posti in testa al puntale (Valo, 30,6°C). Questa differenza di temperatura può essere anche imputata alla distanza che intercorre fra la sorgente luminosa e l’oggetto foto esposto; tuttavia, dalle misurazioni dell’intensità di emissione luminosa riportate nella tabella I, una sensibile differenza di intensità tra le lampade può di per sé giustificare la differente emissione termica. La lampada Valo risulta comunque più potente delle altre lampade e questa differenza giustifica una maggiore temperatura registrata sul puntale, indipendentemente dal posizionamento dei LEDs dietro al puntale o in testa ad esso. L’innalzamento delle temperature di emissione luminosa registrate sul puntale sono soprattutto legate all’occlusione del puntale stesso. Solo in questo caso la temperatura registrata è influenzata dal tempo di esposizione e dall’intensità della luce emessa. Per 60 secondi di esposizione, con puntale occluso, la temperatura registrata su un puntale standard di una Optilux 501 è di 55°C, 71,4°C per la Bluphase , 77,8°C per la Valo con intensità “standard”, 107 °C per la Valo con intensità “Xtra power”. L’emissione termica prodotta è proporzionale all’intensità della luce emessa. La Optilux 501 con puntale standard presenta la minore intensità luminosa tra tutte le lampade testate e questo rende ragione della sua minore emissione termica. Utilizzando un puntale “turbo” con diametro 11 x 7 mm la lampada alogena Optilux 501 presenta valori di intensità luminosa confrontabili con quelli della lampada Bluphase e della Valo con potenza “standard”; anche le temperature di emissione termica per 60 secondi di esposizione con puntale in occlusione risultano di conseguenza simili, rispettivamente di 74°C per la Optilux , 71,4°C per la Bluphase e 77,8°C per la Valo. Per 120 secondi di esposizione con puntale sempre in occlusione le temperature raggiunte sono rispettivamente di 82°C, 82°C e 80,5°C. Soprattutto in quest’ultimo caso, per 120 secondi di esposizione, le temperature raggiunte non pongono alcuna significativa distinzione tra una lampada che posiziona i LEDs all’estremità del puntale o dietro al puntale stesso. E’ verosimile ritenere che i fattori di emissione termica siano piuttosto l’intensità della luce irradiata e il tempo di esposizione, non tanto la posizione della sorgente, sia che si tratti di una luce LED o alogena. Le lampade LED sono in grado i raggiungere intensità di emissione luminosa elevate. Per tempi di attivazione prolungati la temperatura raggiunta in condizioni di occlusione del puntale può essere alquanto elevata. La Valo, in condizioni di utilizzo Xtra power e di occlusione del puntale, è in grado di raggiungere valori di temperatura pari a 71,3°C in 3 secondi, 99,5°C in 30 secondi e 107°C in 60 secondi. Non è affatto trascurabile come anche un puntale di piccole dimensioni, come il “mini-­‐turbo” di 7 x 3 mm, applicato alla Optilux 501, possa raggiungere 106°C e 110°C rispettivamente in 60 e 120 secondi di esposizione. Conclusioni Anche le lampade LED, come le lampade alogene, sono soggette ad una irradiazione termica. L’entità della temperatura raggiunta all’estremità del puntale della lampada fotopolimerizzatrice non dipende dalla tipologia della sorgente luminosa, ma dall’intensità luminosa della lampada, dal tempo di esposizione luminosa e, soprattutto, dal grado di occlusione del puntale sull’oggetto fotoesposto. La posizione dei LEDs in testa al puntale o retrostanti al puntale non condiziona la temperatura raggiunta; essa dipende verosimilmente più dall’intensità della luce emessa dal puntale, piuttosto che dalla posizione dei leds. In assenza di occlusione del puntale, fatta esclusione per il puntale “mini-­‐turbo” di 7 x 3 mm in dotazione della Optilux 501, nessuna lampada, indipendentemente dall’energia emessa, raggiunge temperature superiori a 35°C. Il fattore più importante di surriscaldamento dell’oggetto fotoesposto appare la vicinanza del puntale della lampada all’oggetto stesso, ovvero l’occlusione del puntale da parte della superficie irradiata. Lampade anche particolarmente potenti possono non arrecare un innalzamento preoccupante della temperatura del substrato irradiato, se tenute a debita distanza; ciò determina tuttavia una diminuzione quadratica dell’irradiazione luminosa. L’utilizzo di lampade ad elevata potenza, direttamente a contatto con l’oggetto fotoesposto, per tempi di esposizione prolungati, può portare a variazioni significative della temperatura del substrato.