代曉華 姚暉天津市口腔醫(yī)院中心實驗室 天津 300041

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光學(xué)相干斷層成像技術(shù)及其在窩溝齲檢測中的應(yīng)用

代曉華 姚暉
天津市口腔醫(yī)院中心實驗室 天津 300041

［摘要］窩溝齲的早期發(fā)現(xiàn)和及時診療仍是口腔臨床亟待解決的問題。光學(xué)相干斷層成像技術(shù)（OCT）是一種新型非侵入性、高分辨率的光學(xué)診斷技術(shù)，可提供早期齲損的形態(tài)學(xué)和深度信息，且受釉質(zhì)鈣化不全及著色等因素影響較小。由于窩溝脫礦區(qū)域孔隙度增加，所以O(shè)CT利用低相干干涉原理在微孔中形成增強(qiáng)的微界面引起反射和多重散射，檢測窩溝不同深度層面對入射低相干光的反射或背向散射信號，生成窩溝早期釉質(zhì)齲及牙本質(zhì)齲的二維或三維圖像，通過計算集成反射率等進(jìn)行齲損程度的量化分析，在窩溝齲診斷、抗齲治療效果評估和輔助選擇性清除脫礦牙體組織等方面具有良好的應(yīng)用前景。本文著重就常規(guī)OCT、偏振敏感OCT、掃頻OCT和交叉偏振OCT以及窩溝齲OCT成像與量化分析、OCT的窩溝齲診斷效能和OCT對窩溝齲療效監(jiān)測等研究進(jìn)展作一綜述。

［關(guān)鍵詞］光學(xué)相干斷層成像技術(shù)；偏振敏感；交叉偏振；掃頻；窩溝齲

齲病是由細(xì)菌等多因素作用于已經(jīng)萌出的牙體，使之發(fā)生無機(jī)物脫礦和有機(jī)物分解，形成牙體硬組織慢性進(jìn)行性破壞的感染性疾病。齲損好發(fā)于牙體咬合面，發(fā)生于窩溝點隙的齲病稱為窩溝齲，具有較大的破壞性［1-2］。窩溝齲的早期檢測，尤其是隱匿窩溝齲的及時發(fā)現(xiàn)，有利于非手術(shù)性干預(yù)治療的實施，最大限度的保護(hù)牙體；但鑒于窩溝特殊的形貌特征，臨床常規(guī)探視診方法和X線技術(shù)均難以發(fā)現(xiàn)窩溝早期脫礦，且探視診時口腔探針的使用存在引發(fā)醫(yī)源性齲損的風(fēng)險，X線亦存在電離輻射的危害；因此口腔臨床迫切需要具有敏感性更高、無損傷的窩溝齲量化檢測技術(shù)，一方面可輔助診斷與治療，另一方面可長期可靠地追蹤齲變發(fā)展程度，從而確定齲損是否處于活躍期，是否需要干預(yù)治療。

一些新技術(shù)，如光纖透照技術(shù)、電阻抗技術(shù)和定量光導(dǎo)熒光技術(shù)等被開發(fā)用于早期齲齒的檢測，但這些技術(shù)的敏感性和特異性均在不同程度上受口腔復(fù)雜環(huán)境的干擾。光學(xué)相干斷層成像技術(shù)（optical coherence tomography，OCT）這一新型生物光學(xué)診斷方法，兼具牙體硬組織和軟組織成像能力，受釉質(zhì)鈣化不全及著色等因素影響較小，在牙體光滑面、咬合面和根面等部位脫礦及再礦化導(dǎo)致的牙體硬組織結(jié)構(gòu)改變的定性和定量檢測與評估方面均顯示出良好的開發(fā)應(yīng)用前景［3-5］。近年來，OCT技術(shù)得到快速發(fā)展，除常規(guī)OCT系統(tǒng)外，又開發(fā)形成了偏振、掃頻和交叉偏振等功能性O(shè)CT系統(tǒng)。本文就各種光學(xué)相干斷層成像系統(tǒng)技術(shù)的原理及其在口腔窩溝齲研究中的應(yīng)用情況作一綜述。

1　OCT及其檢測原理

1.1常規(guī)OCT

常規(guī)OCT屬時域OCT系統(tǒng)，采用低相干光干涉原理將低相干光偶聯(lián)入邁克爾遜干涉儀，分別進(jìn)入樣本臂和參考臂。調(diào)節(jié)參考臂反射鏡的位置，使得參考光與樣品內(nèi)不同位置的背向散射光發(fā)生干涉，由光電探測器接收，通過解調(diào)可以獲得樣品背向散射強(qiáng)度隨樣品深度變化的函數(shù)，進(jìn)而獲得樣品在深度方向的結(jié)構(gòu)［6］。OCT檢測操作與超聲技術(shù)相似，但其以光波替代聲波，比超聲空間分辨率高一個數(shù)量級，其軸向分辨率為10～20 μm，在健康釉質(zhì)中辨析深度可達(dá)牙體表層下2～3 mm［3，7-8］。發(fā)生脫礦的釉質(zhì)或牙本質(zhì)孔隙度增加，微孔中礦物質(zhì)晶體和水（空氣）間微界面的局部反射率差異引起反射增高，光在脫礦組織中發(fā)生多重散射，這些增強(qiáng)的反射和散射光信號可為OCT系統(tǒng)所檢測，在OCT二維圖像中呈現(xiàn)高亮度［9］。用于齲齒研究的OCT系統(tǒng)多采用近紅外光源，因在近紅外光波段脫礦釉質(zhì)光散射強(qiáng)度與健康釉質(zhì)相差10～20倍，對比度高［10］；另外，在近紅外波段1 310 nm波長處健康釉質(zhì)近乎透明，OCT軸向成像深度明顯提高。牙體單純著色幾乎不吸收近紅外光［11-13］，對OCT檢測齲齒干擾較小。較后續(xù)介紹的偏振和掃頻等功能性O(shè)CT，常規(guī)OCT開發(fā)最早，成本相對較低，操作也更容易，在體內(nèi)外對窩溝齲成像和脫礦深度分析等研究中均有使用［14-15］。常規(guī)OCT利用入射光透射深度及散射信號強(qiáng)度評估齲損程度，由于釉質(zhì)與空氣的折射率差異，釉質(zhì)與空氣界面存在鏡面反射，可能干擾OCT系統(tǒng)對齲損區(qū)域的準(zhǔn)確檢測和通過集成反射率等手段對齲損的量化分析［8］。

1.2偏振敏感OCT

偏振敏感OCT（polarization sensitive optical coherence tomography，PS-OCT）是常規(guī)OCT的一種功能改進(jìn)形式，即在常規(guī)OCT基礎(chǔ)上將入射光源改為線性偏振光，對于排除釉質(zhì)表面鏡面反射信號干擾和分辨齲損區(qū)域周邊健康釉質(zhì)雙折射產(chǎn)生的表面下偽相等方面具有較大優(yōu)勢。PS-OCT通過脫礦區(qū)域入射光發(fā)生的多重散射和脫礦牙體組織對探測光源的消偏作用原理檢測齲齒。健康釉質(zhì)本身具有雙折射特性，不會產(chǎn)生消偏振作用；而齲變釉質(zhì)，礦物質(zhì)流失造成釉柱晶體結(jié)構(gòu)和排列發(fā)生不同程度的破壞，線性偏振光快速消偏振或由線性偏振光變?yōu)榛祀s的偏振光。PS-OCT可探測平行軸和垂直軸背向散射信號，分別生成圖像，利于獲取齲損區(qū)域更細(xì)致的結(jié)構(gòu)信息。PSOCT垂直軸圖像上齲損區(qū)域成像對比度明顯增強(qiáng)，在早期釉質(zhì)齲及表面覆蓋有健康釉質(zhì)的隱匿齲檢測中更具優(yōu)勢，PS-OCT垂直軸信號的集成反射率還是評估窩溝齲損嚴(yán)重程度的量化檢測指標(biāo)之一［15-16］。

1.3掃頻OCT

掃頻OCT（swept source optical coherence tomography，SS-OCT）屬頻域OCT，采用快速可調(diào)諧激光光源，通過平衡探測型光電探測器獲得干涉光譜信號，信號經(jīng)傅里葉變換重建樣品結(jié)構(gòu)信息。在對樣本進(jìn)行檢測時，SS-OCT參考鏡保持靜止，系統(tǒng)具有更高的相位穩(wěn)定性和更快的成像速度。SS-OCT成像速度可達(dá)33.3幀每秒，利于進(jìn)行在體實時成像及三維圖像的重建。在高速成像的同時，SS-OCT在信噪比及靈敏度等方面也都有所提高［11，17-18］。

1.4交叉偏振OCT

交叉偏振OCT（cross polarization optical coherence tomography，CP-OCT）是一種特殊的偏振光學(xué)相干斷層成像系統(tǒng)，兼具PS-OCT可消除表面鏡面反射干擾和SS-OCT的超高速成像潛能。其采用掃頻激光光源，設(shè)計上使用偏振分束器分離出線性偏振光中的垂直軸光束作為探測信號，掃描后直接生成交叉偏振圖像，可快速完成牙體表面的3D掃描與重建［19-20］。在CP-OCT圖像中，牙體表面強(qiáng)鏡面反射被進(jìn)一步減弱，信噪比和齲損對比度均有所提高，可以更好地反映樣品淺表層的微結(jié)構(gòu)，在牙體齲損成像，尤其是近牙體表面的早期齲成像方面具有重要的價值。CP-OCT成像通過直接集成近牙體表面齲損區(qū)域反射率量化評估齲損程度，利于對掃描中獲取的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化分析，有望在未來的臨床使用中實現(xiàn)實時成像的同時自動化輸出齲損程度量化檢測結(jié)果［21］。

2　OCT在窩溝齲研究中的應(yīng)用

2.1窩溝齲OCT成像與量化分析

OCT因其高敏感特性，在窩溝早期釉質(zhì)齲檢測方面具有巨大的優(yōu)勢。2002年，F(xiàn)ried等［8］利用PS-OCT進(jìn)行了窩溝早期自然齲體外牙樣本掃描，在垂直掃描圖像上，中央窩底部等三處齲損區(qū)域與樣本牙剖面顯微圖像觀察結(jié)果相吻合，初步顯示OCT具有無創(chuàng)檢測 面窩溝早期齲的潛能。2006年，Jones等［16］對pH循環(huán)0～14 d的人工窩溝早期齲模型進(jìn)行了PS-OCT掃描，其二維掃描圖中齲損的邊界信息與樣本牙磨片放射自顯影圖像和偏光圖像上顯示結(jié)果相符，PS-OCT垂直軸集成反射率與顯微放射自顯影術(shù)測定的礦物質(zhì)損失量高度相關(guān)，意味著PS-OCT可對早期窩溝齲進(jìn)行成像和量化檢測。他們認(rèn)為，通過集成PS-OCT垂直軸反射率，可以實現(xiàn)齲損程度的直接量化分析，降低復(fù)雜的局部解剖形態(tài)對窩溝齲量化分析的影響。2014年，Simon等［10］利用LabVIEW軟件自動分析了早期窩溝齲模型的齲損深度并且計算了集成反射率，進(jìn)一步地證明交叉偏振OCT圖像可以直接用于計算齲損深度和集成反射率，提供齲損程度分布圖。

除上述早期齲外，OCT對窩溝本質(zhì)齲的成像和量化檢測性能也逐步得到了驗證。2011年，Azevedo等［22］在使用常規(guī)OCT評估窩溝本質(zhì)齲模型的脫礦程度時認(rèn)為，OCT可無創(chuàng)性有效檢出細(xì)菌誘導(dǎo)脫礦導(dǎo)致的齲損深度。Staninec等［15］通過體內(nèi)外研究進(jìn)一步證實，OCT可顯示窩溝本質(zhì)齲及其在健康釉質(zhì)層下沿釉質(zhì)牙本質(zhì)界橫向擴(kuò)展的情況。其在體外研究中，以PS-OCT垂直軸圖像和平行軸圖像的疊加形成的融合圖像代表常規(guī)OCT圖像，對常規(guī)OCT和PS-OCT檢出窩溝齲效能進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示二者均可對深達(dá)釉質(zhì)牙本質(zhì)界的窩溝齲成像，且所測定最深處齲變的脫礦深度數(shù)值相似；OCT圖像上反射率的增高與相應(yīng)的顯微放射自顯影術(shù)測定的礦質(zhì)損失量的增加一致，OCT測定的齲損深度與顯微放射自顯影術(shù)和偏光顯微鏡檢測出的齲損深度呈線性相關(guān)；其體內(nèi)研究顯示，在14例患窩溝本質(zhì)齲牙體中，12例的OCT圖像上可見齲損溝裂處高反射信號，齲損溝裂下方對應(yīng)釉質(zhì)牙本質(zhì)界附近存在光散射信號增強(qiáng)。另外，OCT還可對窩溝牙體與封閉劑或修復(fù)充填體交界面成像，觀察封閉或修復(fù)后牙體的釉質(zhì)完整性和測量復(fù)合樹脂材料表面形成的生物膜厚度，在無創(chuàng)性示蹤封閉劑下窩溝齲的發(fā)展、在體評估成洞前的早期繼發(fā)齲、優(yōu)化復(fù)合樹脂材料預(yù)防繼發(fā)齲等方面具有良好的應(yīng)用潛能［20，23-24］。

2.2OCT的窩溝齲診斷效能

OCT具有非損傷性獲取齲損牙體結(jié)構(gòu)高分辨率解析圖像的優(yōu)良性能，可進(jìn)行窩溝齲變部位、齲變范圍和齲變深度等檢測。Nakajima等［9］探究了SS-OCT作為乳牙窩溝齲診斷方法的效能。其研究結(jié)果顯示，在體外，SS-OCT檢測乳牙釉質(zhì)脫礦、釉質(zhì)成洞齲和牙本質(zhì)齲的敏感度分別為0.93、0.89 和0.75，而視診的檢測結(jié)果分別為0.70、0.49和0.36；在體內(nèi)，SS-OCT對進(jìn)展期乳牙隱匿齲的檢測似乎亦優(yōu)于視診。Shimada等［25］使用SS-OCT對體外恒磨牙窩溝齲進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示SS-OCT檢測恒牙釉質(zhì)脫礦和本質(zhì)齲的敏感度分別為0.98和0.6，均高于視診相應(yīng)的檢測結(jié)果0.80和0.36。SSOCT檢測乳牙本質(zhì)齲的敏感度高于恒牙本質(zhì)齲，這可能與乳牙釉質(zhì)層較恒牙薄有關(guān)。Gomez等［26］體外比較了SS-OCT、國際齲齒檢測和評估系統(tǒng)等方法診斷窩溝齲的性能，其中OCT對早期窩溝釉質(zhì)齲診斷的敏感度為0.95，但其對早期窩溝釉質(zhì)齲診斷的特異度和牙本質(zhì)的診斷敏感度均較低，其原因可能與試驗中采用對OCT圖像進(jìn)行主觀視覺評估而非客觀自動化算法量化分析有關(guān)。van Hilsen等［12］評估了CP-OCT在未成洞窩溝齲遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷效能后認(rèn)為：CP-OCT雖可檢測是否存在齲變，但近紅外光不能滲透整個齲損區(qū)域，CP-OCT難以充分評估齲損深度。OCT探測光滲透深度是限制OCT用于窩溝齲臨床診斷研究的重要因素。Jones等［16］認(rèn)為，大功率光源的使用可減少OCT圖像的干擾因素，期望未來通過更高功率和更寬帶寬光源的開發(fā)，增加OCT的成像深度和圖像對比度。Kang等［13］發(fā)現(xiàn)，水和丙三醇等高折光率液體可增加PS-OCT光滲透深度，增強(qiáng)健康釉質(zhì)下的隱匿齲光反射信號，提高窩溝點隙較深齲損的可見度。折光系數(shù)適宜且對人體無害遞質(zhì)的正確選擇，或與偏振拉曼光譜等技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，可能利于進(jìn)一步提高OCT對窩溝齲變的診斷效率。

2.3OCT對窩溝齲療效監(jiān)測

無創(chuàng)性監(jiān)測牙體的脫礦與再礦化水平和觀察初起齲損發(fā)展進(jìn)程，有利于非外科干預(yù)治療的有效實施和評估化學(xué)治療或激光照射等抗齲治療的效果。Jones等［23］對窩溝早期人工齲樣本進(jìn)行了間斷PS-OCT掃描發(fā)現(xiàn)，pH循環(huán)14 d后窩溝齲樣本的平均反射率較pH循環(huán)前增加了5.1 dB，平均反射率與pH循環(huán)時間的平方根呈線性相關(guān)（r=0.94），提示PS-OCT可有效地監(jiān)測和量化評估人工窩溝齲變進(jìn)程。Fried等［21］對氟化物干預(yù)治療前后頰面與咬合面釉質(zhì)齲進(jìn)行了為期30周的臨床試驗，期間每6個星期進(jìn)行一次CP-OCT掃描。結(jié)果顯示OCT可體內(nèi)無創(chuàng)性監(jiān)測齲損的改變，具有臨床監(jiān)測齲損的極大潛能；而計算每一時間點的齲損深度和集成反射率，有可能成為評估齲損活動性的一種方法。OCT具有量化測定齲損深度、程序化輸出齲損各位點切除深度的潛能，有望整合到激光消融系統(tǒng)，以達(dá)到選擇性去除表面齲損組織，使健康釉質(zhì)損失最小化的目的。在激光清除脫礦釉質(zhì)過程中，對脫礦釉質(zhì)去除前后分別獲取的CP-OCT掃描圖像進(jìn)行疊加，可清晰顯示去除組織量；但對于脫礦較深的齲損，在切除前OCT不能有效地反映整個齲損體積，可能需要在切除過程中多次重復(fù)進(jìn)行OCT的掃描［27-28］。

3　小結(jié)

綜上所述，OCT不僅在早期檢出和診斷窩溝齲損、顯示齲損的部位與定量齲損的深度等方面顯示出良好應(yīng)用潛能，可為臨床窩溝齲變診斷提供重要的信息；而且對于準(zhǔn)確評估齲損進(jìn)程，判斷齲損是處于靜止期、活動期或再礦化期等也具有巨大的優(yōu)勢和潛力，可為正確選擇窩溝齲變治療方案及評估治療效果提供依據(jù)。針對兒童群體而言，因幼年時期對X線輻射更為敏感，對OCT這樣安全、無創(chuàng)的窩溝齲檢測技術(shù)的需要亦更為迫切，因而OCT在兒童窩溝齲早期防治中具有更為廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。

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（本文采編王晴）

Optical coherence tomography and its application in the detection of occlusal caries

Dai Xiaohua，Yao Hui.（Central Laboratory，Tianjin Stomatological Hospital，Tianjin 300041，China）

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China（30770597）.

［Abstract］The early detection and diagnosis of caries in pits and fissures remain major problems in clinical dentistry.Optical coherence tomography（OCT） is an emerging，non-invasive，high-resolution，optical diagnostic technique.This approach can provide information on morphology and depth of early caries without the interference of enamel hypocalcification and stain.As the porosity of demineralized dental tissue increases，micro-interfaces within the micropores augment reflection and multiple scattering.Based on low-coherence interferometry，OCT can detect the reflected or backscattered signals to the incident beam at various vertical extents.OCT can also generate 2D/3D images of early enamel caries and dentine caries on the occlusal surface，and quantify lesion severity by calculating the integrated reflectivity.OCT is a promising prospect for the diagnosis of occlusal caries，anti-caries efficacy estimation，and assistance in the selective removal of demineralized tooth tissue by laser.This review focuses mainly on different types of OCT，namely，the conventional，polarization-sensitive，swept-source，and cross-polarization OCT.This review also highlights the abovementioned OCT applications in imaging and quantitative analysis，diagnostic efficiency，and therapeutic monitoring of occlusal caries.

［Key words］optical coherence tomography；polarization sensitive；cross polarization；swept source；occlusal caries

［收稿日期］2015-11-16；［修回日期］2016-02-23

［基金項目］國家自然科學(xué)基金（30770597）

［作者簡介］代曉華，碩士，Email：jstonehome@163.com

［通信作者］姚暉，主任醫(yī)師，學(xué)士，Email：yaoh2k@163.com

［中圖分類號］R 781.1

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A［doi］ 10.7518/gjkq.2016.03.022