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”.    

 

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  

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.  

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.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   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.  

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.  

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)  

 

 

 

 

Tab.  I      Valori  di  emissione  luminosa  espressi  in  mW/cm2  delle  tre  lampade  testate  

  OPTILUX  501   BLUEPHASE  C8   VALO  

INTENSITÀ  dichiarata     Standard  

800  mw/cm2  

High  power  

800  mw/cm2  

Standard  

1000  mw/cm2  

High  power  

1400  mw/cm2  

Xtra  power  

3200  mW/cm2)  

PUNTALE  mm   10x10   11x7   7x3              10x10                                                                                          9.6  

RADIOMETRO                                                                    INTENSITA’  DI  EMISSIONE  LUMINOSA  (mW/cm2)  

Integrato  Optilux  501   860   1240   660                1370            1630        >1950              >1950  

Bluephase  meter   470   880   930                  980              940            1390                    1760  

 

 

 

 

 

Fig.8  (a  sinistra)  Lampada  LED  Bluphase  C8  (Ivoclar).                Fig.  9      Lampada  LED  Valo  (Ultradent).  

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  

 

 

 

 

 

 

 

 

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        BLUEPHASE  C8                                        VALO  

Puntale  mm          10X10              11X7                7X3                            10X10                                                9,6  

Intensità                                                              Standard                High  power   Standard   Xtra  power  

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      

 

Fig.  12      Immagine  termica  del  puntale  della    lampada  Valo  

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.