激光誘導熒光牙結(jié)石診斷研究

胡 杰，楊 揚，秦艷利，王玉富，姚 俊

(沈陽理工大學 理學院，遼寧 沈陽 110159)

牙結(jié)石是一種黃色或褐色的微小沉積物，由硬化牙菌斑沉積而成。牙菌斑的積累能夠產(chǎn)生牙齦炎癥，從而導致牙齦損傷和破壞。要成功治療牙周病，完全清除牙結(jié)石是關(guān)鍵的一步。由于齦上牙結(jié)石可以用肉眼看到，并可以輕易的定位，所以危害性相對來說比較小。然而齦下結(jié)石沉積于齦緣之下，附著在齦溝或牙周袋內(nèi)的根面，肉眼觀察不到，所以危害性較大，迫切需要一種靈敏的診斷方法。傳統(tǒng)的牙結(jié)石診斷法有手工探針診斷和超聲波診斷，用來評估齦下牙結(jié)石的位置和區(qū)域。手工探針診斷法靈敏度較低，并依賴于牙醫(yī)師經(jīng)驗，缺少客觀性。超聲波診斷產(chǎn)生輻射，對人體有一定的危害。因此研究出一種新型高靈敏度的診斷方法是極其必要的［1－2］。

熒光診斷具有高靈敏度、高準確度、非接觸和無損傷等優(yōu)點［3］。現(xiàn)今人們越來越關(guān)注此診斷方法。Krause等人［4］報道了通過測量正常牙齒和牙結(jié)石反射光的差異來診斷牙結(jié)石。當用655nm半導體激光器作為激勵光源時，牙結(jié)石的相對熒光強度明顯不同于正常牙齒［5－6］。這些報道顯示，熒光診斷技術(shù)相比于傳統(tǒng)診斷方法在診斷上具有高度有效性，并對近期研究提供了有價值的信息。但現(xiàn)今的診斷方法仍有不足，主要是直接利用熒光或反射光的強度作為區(qū)別于正常牙齒的依據(jù)。相對強度很容易受診斷環(huán)境因素影響，例如診斷距離、角度等［7］。因此，很有必要進一步研究高靈敏度診斷方法。

本文主要目的是研究牙結(jié)石的熒光診斷方法。牙結(jié)石在635nm半導體激光器激發(fā)下所得牙結(jié)石的熒光強度高于655nm半導體激光器［8］，因此本文選用635nm半導體激光器作為激勵光源檢測并比較牙結(jié)石和正常牙齒的熒光光譜。根據(jù)其光譜特性提出一種比值診斷法作為診斷牙結(jié)石的依據(jù)。為最大限度模擬臨床環(huán)境，本文同時還研究了豬肉組織對診斷結(jié)果的影響，可為臨床應用提供重要的參考依據(jù)。

1 實驗

1.1 樣品

本研究中提取15顆有明顯牙結(jié)石的牙齒和15顆正常牙齒來做比較。提取后，利用流動水輕輕用牙刷將牙齒表面清理干凈，并使裸露的牙根表面和牙結(jié)石殘留物都完好無損。其后，所有牙齒都保存在0.9%生理鹽水里，并處于4℃的黑暗環(huán)境下，直到熒光測量時被取出。

1.2 實驗系統(tǒng)

本實驗設(shè)計圖如圖1所示。用波長635nm、線寬22nm紅光半導體激光器(HPD7404)作為激勵光源(圖2)，激光光束經(jīng)光纖垂直入射到表面患有結(jié)石的牙齒上，另一根光纖用來收集熒光和反射光，收集的光入射到二色向鏡上，經(jīng)二色向鏡濾光后，再經(jīng)40mm焦距的石英透鏡聚焦到多模光纖(此為海洋光學光譜儀USB4000的附帶光纖OFLV－200－1100)上，再經(jīng)多模光纖到8nm分辨率的光譜儀(海洋光學光譜儀USB4000)上轉(zhuǎn)化成信號，此信號經(jīng)CCD探測器傳輸?shù)诫娔X上。為得到高信噪比，適當調(diào)整CCD探測器的取樣時間，從而獲得完整光譜。樣本被固定在可移動的二位平移臺上，以便收集一顆牙齒上不同位置的熒光。

圖1 牙結(jié)石熒光光譜診斷設(shè)計圖

圖2 激光光譜圖

1.3 實驗過程

在室溫(20～25℃)并處于黑暗的實驗室，利用診斷系統(tǒng)分別對15顆正常牙齒和15顆牙結(jié)石牙齒收集熒光，為方便比較，分別對所有的正常牙齒和牙結(jié)石牙齒的熒光光譜取平均。在臨床診斷中，牙結(jié)石一般被牙齦組織所覆蓋，為模擬牙齒臨床診斷環(huán)境，在診斷點放上1mm厚的動物組織，收集對應的熒光。

2 結(jié)果和討論

圖3為正常牙齒和牙結(jié)石的平均熒光光譜。正常牙齒和牙結(jié)石在近663nm波段有熒光產(chǎn)生。但是與正常牙齒相比，牙結(jié)石有兩點不同。第一，在650～730nm的波段內(nèi)的熒光強度增強。第二，在635nm處反射光光強降低。由于牙結(jié)石里含有機芳族化合物卟啉，使得熒光強度在上述波段內(nèi)增強。由牙菌斑和鈣化的殘渣形成的牙結(jié)石表面粗糙，從而使反射光強降低［9］。

圖3 正常牙齒和牙結(jié)石平均熒光光譜的比較

特定波長的熒光強度極易受實驗條件例如探測距離、激發(fā)光源的強度等影響［7］。利用熒光光強的不同來做診斷依據(jù)，其靈敏度較低。根據(jù)牙結(jié)石的典型特征光譜，本文提出用一種比例運算方法診斷牙結(jié)石。用牙結(jié)石參數(shù)R來評估牙結(jié)石的覆蓋程度。

其中:S(618～648)為在波峰635nm為中心的寬20nm的光譜曲線的積分面積，以便避免超噪聲;S(650～730)為650～730nm波段內(nèi)光譜曲線的積分面積。

表1為牙齒樣本R值及最佳截斷閾值的靈敏度和準確度。牙結(jié)石的 R平均值為0.6778±0.2456，而正常牙齒的 R平均值為 1.6504±0.1972。正常牙齒和牙結(jié)石的在統(tǒng)計學上存在顯著差異(P＜0.05)。R=0.9作為診斷牙結(jié)石的診斷閾值，其靈敏度達100%，準確度達93.3%。在臨床診斷中，齦下牙結(jié)石被牙齦覆蓋。為使激勵光源安全到達齦下牙組織，診斷光纖頂端應精心設(shè)計以便可插入牙周袋。如果激勵光源可透過牙齦到達齦下組織可對臨床應用帶來極大方便。為模擬臨床環(huán)境，用動物組織來研究肌肉組織對診斷結(jié)果的影響。表1顯示當樣品被動物組織覆蓋后，測得牙結(jié)石R值增長為0.6948±0.1016，而正常牙齒R值降低為1.1431±0.1496。R=0.9仍作為診斷牙結(jié)石的理想閾值，其靈敏度達93.3%，準確度達100%。此結(jié)果表明，以635nm的激光為激發(fā)光源，在臨床診斷中將不用把光纖插入牙周袋，可直接將激發(fā)光照射在牙齦上診斷牙結(jié)石，這將給臨床診斷帶來極大方便。

表1 牙齒樣本R值及最佳截斷閾值的靈敏度和準確度

3 結(jié)論

在635nm激光的激發(fā)下，正常牙齒和牙結(jié)石在663nm處有熒光峰。與正常牙齒相比，牙結(jié)石在650～730nm的波段內(nèi)熒光強度增強，并且在635nm處反射光降低。用熒光光譜面積(650～730nm)與反射光光譜面積(618～648nm)之比R來診斷牙結(jié)石，即使診斷區(qū)域用動物組織覆蓋，診斷的靈敏度和準確度也高達90%。

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