光學(xué)相干斷層成像技術(shù)在齲病診斷中的研究進(jìn)展

蘇屹坤，朱炳震，伍韓雪，盧倩倩，王景云

齲病是常見病、多發(fā)病，是牙體硬組織在細(xì)菌等多種因素作用下發(fā)生的慢性進(jìn)行性破壞的感染性疾病[1]。第四次全國口腔健康流調(diào)顯示，我國12歲兒童患齲率10年來由28.9%上升至38.5%，呈明顯上升趨勢(shì)[2]。齲病會(huì)引發(fā)疼痛，咀嚼障礙，引起牙髓、根尖周疾病甚至導(dǎo)致局部或全身感染[1]。對(duì)活躍性早期齲及時(shí)進(jìn)行診斷和干預(yù)，降低治療的生物學(xué)代價(jià)顯得尤為重要[1,3-4]。臨床檢查(視診和探診)和影像學(xué)檢查(根尖X線片和牙合翼片)是臨床常規(guī)檢測(cè)和診斷齲病的方法[3,5]。臨床檢查具有主觀性，判斷標(biāo)準(zhǔn)不一，影像學(xué)檢查存在電離輻射的風(fēng)險(xiǎn)，而且對(duì)早期齲，尤其是早期窩溝齲的診斷敏感性差[6-7]。能夠輔助診斷與治療、追蹤病變發(fā)展、無損、無創(chuàng)、敏感性高的齲病量化檢查技術(shù)是非常有必要的。

光學(xué)相干斷層成像(optical coherence tomography，OCT)是Huang等于1991年首次提出的一種無創(chuàng)、無輻射的獲得生物結(jié)構(gòu)高分辨率圖像的技術(shù)[8-9]。OCT已廣泛應(yīng)用于眼科[10-11]、皮膚科[12-13]、心血管科[14-15]等疾病診療過程。1998年，Colston等[16]首次將OCT技術(shù)應(yīng)用于口腔領(lǐng)域，他們?cè)O(shè)計(jì)的裝置可以掃描到3 mm深的牙體硬組織以及1.5 mm深的軟組織。同年，F(xiàn)eldchtein等[17]首次嘗試將OCT應(yīng)用于診斷牙體軟硬組織病變。隨著計(jì)算機(jī)、電子、圖像處理分析等技術(shù)快速進(jìn)步，OCT的成像速度、靈敏度和分辨率得到了迅速發(fā)展。OCT對(duì)于口腔軟硬組織疾病診斷與監(jiān)測(cè)有著良好的前景[6,18-21]。本文就OCT技術(shù)在齲病診斷中的研究進(jìn)展作一綜述。

1 OCT分類及其檢測(cè)原理

1.1 時(shí)域OCT

常規(guī)OCT屬時(shí)域OCT(time-domain OCT，TD-OCT)，其原理類似于超聲檢查，但使用光波回波信號(hào)而非聲波回波，OCT原理是將光波分束照射樣本臂和參考臂，樣本光檢測(cè)樣品組織，生物組織和參考臂對(duì)入射的低相干光的背向散射信號(hào)在邁克爾遜干涉儀內(nèi)發(fā)生干涉，由探測(cè)器記錄生成A-scan(深度)和B-scan(橫截面圖像)，或創(chuàng)建三維(3D)圖像以顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)[16,20,22-23]。光源、成像透鏡和檢測(cè)單元的特性會(huì)影響OCT成像的深度、分辨率、視野和對(duì)比度[23]。更長波長的光源通?？梢蕴峁└畹某上裆疃萚23]。高數(shù)值孔徑成像透鏡提供了更好的軸向分辨率和對(duì)比度，但景深較淺，視野較小，在口內(nèi)應(yīng)用受限于受試者微小運(yùn)動(dòng)引起的失焦[23]。大多數(shù)口腔OCT使用波長1 300 nm左右工作光源和低數(shù)值孔徑成像透鏡，這種條件下，OCT圖像深2 mm，軸向分辨率10 μm，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)組織微觀結(jié)構(gòu)成像[23]。

1.2 傅里葉域OCT

傅里葉域OCT(Fourier-domain OCT，F(xiàn)D-OCT)，可通過將生物組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的干涉光譜經(jīng)傅里葉變換獲取信息，它分為掃頻OCT(swept-source OCT，SS-OCT)和譜域OCT(spectral domain OCT，SD-OCT)。SS-OCT采用窄帶高速可調(diào)諧激光光源，探測(cè)器為簡(jiǎn)單的二極管，通過快速掃描寬波長范圍獲取組織內(nèi)部頻譜，在每個(gè)波長處順序測(cè)量干涉圖案[23-24]。SD-OCT采用超寬帶光源、分光計(jì)和線性掃描相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉譜各分量的軸向深度掃描測(cè)量[6,23]。FD-OCT具有高成像速度、高相位穩(wěn)定性和高信噪比的特點(diǎn)[20,25]。

1.3 功能OCT

OCT還能將干涉信號(hào)中的偏振等信息進(jìn)行功能成像。健康釉質(zhì)是雙折射材料，可改變光在其中傳播的偏振狀態(tài)，傳統(tǒng)OCT可能出現(xiàn)雙折射條帶偽影[23]。偏振敏感OCT(polarization sensitive OCT，PS-OCT)入射光為線性偏振光，分別收集兩個(gè)正交極化狀態(tài)，然后將其組合以生成沒有條帶偽影的圖像，從而提供釉質(zhì)組織的真實(shí)結(jié)構(gòu)[23]。交叉極化OCT(cross-polarization OCT，CP-OCT)是在SS-OCT的基礎(chǔ)上采用交叉極化模式檢測(cè)，可以將牙齒表面的反射率降低20～30 dB，從而避免高反射的牙齒表面掩蓋下方的牙齒結(jié)構(gòu)，提高信噪比和對(duì)比度[20,26-27]。

2 OCT齲病檢測(cè)原理

2.1 健康牙體組織OCT圖像

牙冠硬組織由牙釉質(zhì)組成外部，內(nèi)部與牙本質(zhì)相連，連接界面稱為釉牙本質(zhì)界(enamel-dentinal junction，EDJ)。健康釉質(zhì)在近紅外光波段1 310 nm左右的波長范圍內(nèi)幾近透明，OCT檢測(cè)軸向成像深度明顯提高，可以捕獲完整的釉質(zhì)厚度和1～2 mm深的牙本質(zhì)[28]。EDJ呈現(xiàn)為一條暗帶，在OCT圖像上容易區(qū)分牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)(圖1)[25,28-29]。

圖1 SS-OCT對(duì)前牙進(jìn)行實(shí)時(shí)橫斷面成像 [28]Fig.1 Real-time cross-sectional imaging was performed for the anterior tooth using SS-OCT [28]

2.2 齲病OCT圖像

OCT檢測(cè)中，齲病和正常組織的區(qū)別在于脫礦組織微孔隙增加引起的背向散射增加和脫礦組織對(duì)入射光的去極化[20,28]。硬組織脫礦引起牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)孔隙度增大，微孔中微界面的局部反射差異引起反射增高，增加的背向散射在灰色圖像中表現(xiàn)為白色亮區(qū)[28-29]。齲病侵及的EDJ可出現(xiàn)反射增強(qiáng)的亮線，表明該處牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)受病變累及導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂解，出現(xiàn)微間隙(圖2)[29-30]。近紅外光波段1 310 nm波長處，脫礦釉質(zhì)光散射強(qiáng)度與健康釉質(zhì)相差10～20倍，對(duì)比度高，因此OCT可以在脫礦早期區(qū)分病變組織[20]。

窩溝處的釉質(zhì)脫礦表現(xiàn)為釉質(zhì)深度內(nèi)亮度增加(箭頭1)，沿著EDJ擴(kuò)展的病變成像為一條亮線(箭頭2)

2.3 OCT齲病檢測(cè)的量化分析

丁江峰等[31]使用FD-OCT對(duì)牙本質(zhì)齲進(jìn)行檢測(cè)，通過改良canny邊緣提取法，計(jì)算測(cè)量位點(diǎn)的折射系數(shù)，高分辨率顯微CT (micro-CT)檢測(cè)礦化密度的改變，認(rèn)為齲影響牙本質(zhì)礦化密度測(cè)量值與折射系數(shù)間存在顯著正相關(guān)性(r=0.78)。牙體組織光學(xué)特性改變和脫礦的相關(guān)性有可能定性和定量檢測(cè)齲病范圍和嚴(yán)重程度[31-32]。很多學(xué)者試圖開發(fā)數(shù)學(xué)算法自動(dòng)快速準(zhǔn)確地測(cè)出齲病邊緣[33-34]，Chan等[33]使用CP-OCT獲得口內(nèi)平滑面釉質(zhì)的交叉極化圖像，通過整合正交軸或交叉極化圖像的反射率來量化脫礦的嚴(yán)重程度，通過識(shí)別每個(gè)A-scan低于半峰寬閾值的第一個(gè)像素來將CP-OCT圖像轉(zhuǎn)變?yōu)椴∽兩疃?。近年來，還有學(xué)者將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用在OCT圖像分析領(lǐng)域，將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和OCT成像相結(jié)合，提取不同組織密度的牙齒OCT圖像的特征，以更準(zhǔn)確地識(shí)別病變組織[35-36]。

3 OCT應(yīng)用于齲病診斷

3.1 平滑面齲

齲齒通常始于牙釉質(zhì)表面及其下方，牙齒的晶體礦物結(jié)構(gòu)在細(xì)菌代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸作用下脫礦[1]。Tsai等[37]在體外通過37%磷酸酸蝕離體牙120 s模擬早期釉質(zhì)脫礦， SD-OCT檢測(cè)后，計(jì)算其平均散射系數(shù)由4.60 mm-1增加到了8.46 mm-1(P<0.001)。Park等[29]的體內(nèi)試驗(yàn)中使用SS-OCT檢測(cè)，將通過國際齲齒檢測(cè)和評(píng)估系統(tǒng)(ICDAS)判斷為完好釉質(zhì)的50%檢測(cè)位點(diǎn)診斷為早期齲，體外評(píng)估OCT和組織學(xué)檢查對(duì)人離體牙平滑面齲的診斷結(jié)果，兩種方法之間觀察到中度顯著一致性(κ=0.54)，OCT可以作為平滑面齲視診檢查的補(bǔ)充，幫助判斷病變程度。Vaswani等[38]在體外比較了PS-OCT和X線片檢測(cè)齲病的敏感性和特異性， OCT的敏感性和特異性分別為0.90和0.69，高于X線的0.40和0.63，與組織學(xué)檢查相比相關(guān)系數(shù)為0.68，呈相關(guān)度較好的正相關(guān)，AUC為0.80(95%CI=0.704～0.870),PS-OCT檢查從脫礦和再礦化的角度評(píng)估早期齲損，辨別病變活動(dòng)性，對(duì)決定是否采取再礦化治療十分有意義[38]。

3.2 窩溝齲

Shimada等[28]使用離體牙進(jìn)行窩溝齲的診斷試驗(yàn)，SS-OCT敏感性(0.98)與特異性(0.75)高于視診(0.80、0.69)，一些視診看來剛有脫礦的病變實(shí)際上已經(jīng)接近EDJ，而且牙齒單純著色幾乎不吸收近紅外光[6]，所以 OCT檢查受窩溝著色影響小，對(duì)齲病的檢測(cè)干擾小、準(zhǔn)確性高。Luong等[39]的體外研究顯示和X線檢測(cè)相比(0.87)，SS-OCT具有更好的敏感性(0.95)，和較高的Az值， OCT在檢查窩溝齲有良好性能。Zain等[40]評(píng)估了SS-OCT和偏振光顯微鏡診斷人前磨牙早期窩溝齲的一致性，OCT敏感性為0.98，特異性0.95，對(duì)于窩溝入口以上(寬度>200 μm)，OCT進(jìn)行病變深度測(cè)量與偏振光顯微鏡一致，但在窩溝入口以下(寬度<200 μm)，OCT病變軸向深度測(cè)量平均值比偏振光顯微鏡小0.57 mm，并且與病變大小呈線性關(guān)系，這可能是由于復(fù)雜的窩溝結(jié)構(gòu)增加了反射，并有可能導(dǎo)致對(duì)病變嚴(yán)重程度的估計(jì)不足。Simon等[41]使用了CP-OCT在體內(nèi)對(duì)窩溝齲進(jìn)行檢測(cè)，認(rèn)為與X線片相比，敏感度提高了50%以上。功能性O(shè)CT能否在深窩溝處獲得準(zhǔn)確的病變深度仍需進(jìn)一步研究。

3.3 鄰面齲

Erdelyi等[42]將SS-OCT和X線檢查牙體組織效能進(jìn)行對(duì)比，并使用Romexis Viewer圖像軟件進(jìn)行評(píng)估分析，X線片上僅能觀察到的第三磨牙近中鄰面齲，在OCT中可以量化測(cè)量齲損深度，顯示出優(yōu)越的分辨率和對(duì)比度。Golde等[43]使用PS-OCT結(jié)合DOPU算法通過脫礦組織的去極化對(duì)比度來檢測(cè)鄰面齲，提高了對(duì)比度，能夠更好界定齲病邊界。Ei等[44]使用SS-OCT評(píng)估拔除前磨牙的鄰面早期齲和微裂紋，認(rèn)為牙釉質(zhì)微裂紋的發(fā)生率與脫礦有關(guān)，這種微裂紋可能是鄰面磨損和齲病進(jìn)展的誘發(fā)因素。Xing等[26]在體外使用離體牙模擬牙列，使用CP-OCT從咬合面及水平面檢測(cè)牙齒鄰面齲，其中咬合面入路敏感性0.81，特異性1.00，Az值0.90，與水平面相比是更好的檢測(cè)分析平面。Shimada等[30]使用SS-OCT從咬合面檢測(cè)牙本質(zhì)齲的敏感性(0.85)、特異性(0.97)高于X線(0.45、0.91)。AUC(0.94)與組織學(xué)檢查的一致性(0.73)也高于X線(0.75、0.38)。OCT的診斷準(zhǔn)確性高于X線片，為在三維圖像上檢測(cè)鄰面齲提供了機(jī)會(huì)，從而克服傳統(tǒng)二維方法的局限性。

3.4 繼發(fā)齲

復(fù)合樹脂粘接修復(fù)是最常用的齲病修復(fù)方式，牙體與復(fù)合材料之間密合性喪失，將產(chǎn)生微間隙，產(chǎn)生繼發(fā)齲乃至修復(fù)失敗[45]。復(fù)合材料散射OCT信號(hào)，在SS-OCT圖像上呈白色。由于缺陷邊界處的光折射，間隙的形成導(dǎo)致后向散射信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度分布出現(xiàn)峰值，在灰度圖像中顯示為明亮的簇，OCT可以檢測(cè)出粘接間隙，監(jiān)測(cè)間隙進(jìn)展和定量界面間隙[46-47]。而修復(fù)體下方的牙本質(zhì)呈黑色，可以明顯區(qū)分開來[48]。Schneider等[6]通過口內(nèi)SD-OCT成像可以看到復(fù)合樹脂中存在氣泡、增量線和各種不規(guī)則精細(xì)結(jié)構(gòu)，以及邊緣約7 μm的粘接劑分布不均勻，這些危險(xiǎn)因素會(huì)增加繼發(fā)齲的發(fā)生概率。Zhou等[46]在體外使用SS-OCT可以檢測(cè)到樹脂-牙本質(zhì)粘接界面早期降解，在OCT圖像中脫粘間隙呈亮簇狀，脫礦的牙本質(zhì)表現(xiàn)為刃狀暗區(qū)和明亮的散在線，OCT結(jié)果和激光共聚焦顯微鏡結(jié)果顯著相關(guān)(r=0.85)[46]。

4 展 望

OCT圖像分辨率和輻射安全性明顯優(yōu)于X線片，能用于孕婦及幼兒[41]，是一種有較高敏感性、特異性的齲病檢測(cè)方法[3,41]，可作為臨床輔助工具支持常規(guī)檢測(cè)手段和鑒別可疑病例。齲病檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)與OCT相結(jié)合，有望提高齲病檢測(cè)和評(píng)估的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，從而有效和更精確地調(diào)整治療策略[29]。治療引導(dǎo)減少并發(fā)癥和操作時(shí)間，監(jiān)測(cè)治療結(jié)果及病變發(fā)展，椅旁實(shí)時(shí)成像有利于醫(yī)患之間的溝通。OCT探測(cè)深度、視場(chǎng)、圖像信噪比和可靠性的提高，以及手持式口腔OCT設(shè)備開發(fā)和齲病定量檢測(cè)算法將是今后研發(fā)的重點(diǎn)[26,47]。