光热辐射测量技术用于早期龋齿检测的研究进展

2018年9月5日 口腔医学

    自20世纪90年代以来,人们一直致力于致力于探索早期龋齿检测方法。国际健康组织也曾提出:早期龋齿检测方法的探索在医学研究领域占有重要地位。已有的早期龋齿检测方法中,光热辐射测量技术基于其自身安全、无创、准确、高敏感等优势,而成为近年来新兴的早期龋齿检测方法。自2000年加拿大多伦多大学Mandelis及2002年日本大阪大学Sakagami提出将光热辐射测量技术应用于早期龋齿检测之后,大量文献报道光热辐射测量技术(Photo thermal radiometry,PTR)用于早期龋齿检测的相关研究。因此,本文就光热辐射测量技术应用于早期龋齿的原理,牙齿的光热特性及基于此技术的成像技术及后期成品the Canary System逐一进行介绍。

    1.PTR用于早期龋齿检测原理

    1.1PTR检测原理

    光热辐射测量技术是基于光热效应的一种检测方法。此方法采用调制激光作用于牙齿样本表面,样本吸收部分光能并将其转化为热能,热探测器探测样本表面热能辐射的热波信号,经处理获取热辐射信号的s幅值及相位的数据及图像。因样本表面热波信号与样本的光热物理参数如光吸收系数、光散射系数、热导率等参数有关,故该技术通过分析样本表面热波信号特征获取样本内部特征,对样本进行诊断。PTR用于早期龋齿检测是因为龋齿是在四联因素作用下,牙体硬组织发生有机物脱矿无机物分解的慢性进行性病损,此过程中龋损组织因脱矿产生多孔状结构,使其物理光热特性与健康牙体组织不同,从而导致牙齿样本光热频域(幅频-相频)响应差异,以此对龋损牙齿组织进行鉴别诊断。

    早期龋齿发生于牙冠部一般均为釉质龋,发生于牙颈部,一般为牙釉质龋、牙骨质龋或牙本质龋;位于牙冠部的釉质龋主要为光滑面龋和窝沟龋。故此技术主要针对早期光滑面龋及窝沟龋进行体外研究实验。基于以上原理,加拿大多伦多大学Hellen将龋损的牙体组织等效为三层结构模型(脱矿层牙釉质层,健康牙釉质层及牙本质层),继而建立了扩散光子密度波耦合热波吸收理论模型,通过数值仿真分析观察龋坏及健康牙齿组织在不同物理参数(吸收系数、散射系数、热传导率、热散射率、层厚、热传递系数、光衰减系数、折射系数)下的频域特性。同时运用PTR对牙齿样本进行频域扫描试验研究的结果进行多参数最佳统计拟合分析,分析结果与已知的牙齿组织的光热物理参数吻合,以此证明了此方法应用于早期龋齿检测的可行性。哈尔滨工业大学刘俊岩等运用相似方法获取与之相同结果,实验方法具有可重复性。以上结果为PTR用于牙齿组织特性,分析和早期龋齿诊断奠定了理论基础。

    1.2早期龋齿的光热特性

    基于以上研究结果,人们开始进一步研究早期龋齿的光热特性。通过对龋损及健康的牙齿组织的PTR扫描结果分析,发现此方法对牙釉质层5mm以内的牙齿组织具有高敏感性。Jeon等在体外模拟不同脱矿程度的牙釉质光滑面龋,后期对其进行再矿化处理,通过横向X射线显微照相术判定样本脱矿程度。PTR扫描后,对比分析不同矿化程度的幅频及相频特性。结果显示:随着激光调制频率由1~1000Hz逐渐增加,龋损组织的幅值值及相位值均高于健康牙体组织,并且与其脱矿程度呈正相关,与调制频率呈负相关。随着再矿化的发生,龋损部位幅值及相位曲线均向健康牙体组织的变化曲线靠拢。Hellen等、Tabatabaei等也获取类似结果,同时发现,随牙齿样本脱矿时间增加,龋损牙釉质层对热量传输产生阻滞作用,使相位值曲线的峰值逐渐向低频移动。

    产生此结果的主要原因是脱矿牙齿组织其吸收系数及散射系数均比健康层大,故特定频率下,其热吸收增加,幅值增大;同时导致光传导的阻滞作用增加及特定频率下相位增加,随着脱矿程度增加,热传导阻滞作用增强,故其相位峰值左移。再矿化进程,降低了其吸收系数及散射系数,故其曲线向初始状态靠拢。Jeona等对窝沟龋也进行光热辐射测量实验,提示此方法可明确区分健康及龋坏窝沟,并且龋损处窝沟幅频-相频特性与光滑面龋的特性一致;通过大量样本检测,证明此方法配合荧光法可加强窝沟龋检测的灵敏性及特异性。同年,Jeon等发表的另一篇文章获取与之一致的结果。Kim等在体外对模拟隐裂及其内部早期龋坏模型进行PTR检测,发现此技术对临床常见的119~160μm隐裂及隐裂内部早期脱矿敏感,其幅值值及相位值与脱矿时间具有相关性,并且此法在隐裂周围2mm内均可辨别隐裂内部脱矿的产生。

    Joshua等运用PTR及光学荧光法检测早期龋齿再矿化程度。此实验证明了自调节肽P11-4可以对早期龋齿进行再矿化的同时,也证明了PTR可对早期龋齿再矿化进程进行动态监测。这些研究结果展示,PTR鉴别早期龋齿的同时可对其病变进展进行动态监测。为后续运用此方法对早期龋齿检测进一步提供理论基础。

    2.PTR成像检测方法

    在已有理论基础上,研究者逐渐将视线转移到成像方法上,以实现短时间快速成像。近年来研究者成功探索出多种光热辐射技术成像检测方法。基于光热辐射测量技术原理衍生出脉冲光热成像检测技术,锁相光热成像检测技术,热波雷达光热成像检测技术及差动光热成像检测技术。此类成像检测技术均采用焦平面红外热成像仪采集牙齿组织的光热辐射图像序列。焦平面红外热像仪因检测面积大的特点,克服了光热辐射测量时点扫描探测法面积小周期长的不足,从而促进PTR的临床应用。

    2.1脉冲光热成像检测技术

    脉冲光热成像检测技术采用脉冲调制激光对牙齿样本进行主动式热激励。日本大阪大学的Sakagami等采用脉冲热成像技术对牙齿样本进行成像实验,验证此成像方法对早期龋齿具有敏感性。但是此方法较连续光热辐射测量技术获取信息少;对牙齿样本检测时,短时间内运用高能量脉冲激光激励牙齿样本,易产生较高温度,损伤牙体组织,产生不可逆损伤。

    2.2锁相成像检测技术、热波雷达成像检测技术及差动成像检测技术

    锁相成像检测技术,热波雷达成像检测技术及差动成像检测技术均采用连续的激励光激励牙齿样本,其采用的激励光调制信号分别为正弦调制信号、线性调频信号及两种不同频率的调制信号。Tabatabaei等近年来运用锁相成像法对体外颌面可视化窝沟龋牙齿样本进行成像检测,可快速获取牙齿窝沟龋幅频及相频图像,其龋损部位清晰可见,数据分析结果同基础研究一致;同时也获取了健康颌面下龋坏的牙齿样本的光热图像,其中颌面下的龋坏位点清晰可见,并且不同龋坏位点呈现不同程度的亮度,具体原因未做明确阐述。

    也有研究对牙齿的邻面龋运用热波雷达成像检测法获取牙齿样本幅值值图像、相位值图像、时间延迟图像及峰值图像,同时提取牙齿样本的锁相成像法中相位值图像,与热波雷达成像检测法中的相位值对比分析,通过图像可知,热波雷达成像检测法四幅图均可鉴别邻面龋坏,并且较锁相法更清晰。但此2种方法受焦平面红外热像仪采样频率低的限制,激励光源只能采用低频,虽然探测深度较大,但近表面的龋坏组织的敏感性相对较差。2016年,有文献提出差动光热成像检测技术,该检测技术运用两种不同频率的正弦信号,依据牙齿组织具有非线性光热效应的特性,在激光照射牙齿样本后,产生几种混频信息,通过提取特定的差频信息,获取牙齿样本信息,实现了对牙齿组织的高频激励,提高早期龋齿检测的分辨率,证明此方法可有效区分隐裂及龋坏组织,并且可对龋损的动态进展进行有效监测。

    随时间发展,光热辐射测量成像检测技术也日益优化,为今后早期龋齿检测提供更加精准、快速的成像方法。

    3.光热辐射测量技术检测仪器(The Cananry System)相关研究进展

    近几年,人们基于牙齿组织的光热效应及荧光效应,研发了The Cananry System。此为一种新兴的早期龋齿检测仪器。人们逐渐将研究热点由基础研究转移到成品检测效果的研究上。The Canary System成品小巧,采用660nm激光,2Hz频率对牙齿进行主动式热激励。操作方法:拭干牙齿,光照5s后可获取Canary数值(1~100),当数值>20,说明龋坏发生,随程度增加,其数值增大。此探测器可探测50μm至5mm的龋损。

    有研究通过体外牙齿组织邻面龋坏进行组织病理方法,视诊、咬合翼片及The Cananry System诊断方法对比分析,其中以组织病理结果作为金标准。结果显示,三者灵敏度分别为0.733、0.267及0.933;特异性分别为0.65、0.875及0.825。同年,有研究采用ICDAS,Inspektor TMPro,QLF-D BiluminatorTM2和The Cananry System等评判窝沟龋,其观察结果与组织病理结果对比分析,结果显示灵敏性分别为0.87、0.90、0.94、0.79;QLF-D Biluminator64和The Canary System的特异性分别为0.96和0.48。此二者灵敏性及特异性差异可能源于龋齿类型不同,因为窝沟龋处几何形态特点易导致The Cananry System阳性判读。故此此实验中其特异性较低。

    2016年,有体外研究运用光学检测仪器DIAGNOdent及The Cananry System及牙齿磨片对窝沟封闭剂下的继发龋进行检测对比研究。结果显示,DIAGNOdent和TheCananrySystem检出率分别为76%和59%。以上可见,The Cananry System对早期龋齿检测的灵敏性及特异性有待进一步探索研究,此方法用于早期龋齿相关检测具有广阔的应用前景。

    4.总结

    PTR具有无损、安全、灵敏、高效的特点。可以通过牙齿表面的光热特性,获取牙齿样本表面信息,进行龋齿诊断,并且可对早其龋齿的进展进行动态监测,其成品检测仪器仍然处于研究中。以此可见,其在未来早期龋齿诊断中具有一定的发展空间。基于PTR理论基础,可知,此方法也可用于早期牙周炎及边缘性颌骨骨髓炎的诊断,且国内外鲜少报道,故未来其具有广阔的发展方向。

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