王成，楊梅，陸雨菲，方麗萍，陳鵬，周成，蔡青

1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與視光學(xué)研究所，上海 200093；2.廈門羅雅光科技有限公司，福建 廈門 361008

引言

牙齒健康已被世界衛(wèi)生組織列為人體健康的十大標(biāo)準(zhǔn)之一，研究表明，齲病已成為繼心、腦血管疾病和癌癥之后的第三大非傳染性疾病，也越來越多的引起人們的重視。根據(jù)第三次全國口腔健康流行病學(xué)抽樣結(jié)果，中國口腔健康形勢十分嚴(yán)峻[1]：5歲兒童乳牙齲病發(fā)病率已經(jīng)達(dá)到66%，35～44歲的中年人齲齒患病率超過了88%。一方面“有洞為齲”的傳統(tǒng)觀念造成了人們對齲病早期預(yù)防的忽視，另一方面早期齲、隱匿性齲沒有顯著的臨床表現(xiàn)，一旦發(fā)生不適癥狀，常引起牙髓炎、根尖炎，伴隨感染、腫痛、牙齒缺失等口腔疾病[2]。重度齲病會(huì)成為與全身系統(tǒng)性疾病相關(guān)的感染灶，比如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和風(fēng)濕性心臟病等[3]。

傳統(tǒng)的齲齒檢測方法主要包括視診、探診和X光片等。視診作為一種齲齒檢測手段，因?yàn)檫^分依賴于口腔醫(yī)生的視力和經(jīng)驗(yàn)，從而導(dǎo)致主觀性過強(qiáng)，容易引起誤診[4]。探診是通過尖銳物體觸壓牙釉質(zhì)表面，并且根據(jù)探入深度判斷齲損程度。該檢測方式直接將外力作用于牙齒硬組織，可能導(dǎo)致牙釉質(zhì)的不可修復(fù)性破壞[5]。X光片是一種客觀靈敏的齲齒檢測手段，但被檢查者會(huì)處在射線的輻射中，不適合長期多次檢測[6-7]。目前在齲齒診斷方面，光學(xué)方法是應(yīng)用較廣的方法。因其具有無損、客觀、可視、定量等優(yōu)勢，而受到廣大研究人員的關(guān)注[8]。利用光學(xué)技術(shù)發(fā)展的多種無損齲齒檢測方式主要包括3類[9]：① 基于牙齒自體熒光效應(yīng)的激光齲齒檢測儀；② 基于散射效應(yīng)的數(shù)字成像光纖透射術(shù)和定量光導(dǎo)熒光技術(shù)；③ 基于牙齒雙折射效應(yīng)的偏振敏感光學(xué)相干層析術(shù)和偏振拉曼光譜技術(shù)等。綜合考慮到診斷方法的實(shí)施手段、可靠性及成本等問題，熒光技術(shù)是公認(rèn)的最有前景的早期齲病診斷技術(shù)[10]。

本研究基于牙齒自體熒光效應(yīng)和“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療”的創(chuàng)新理念，集傳感、數(shù)據(jù)無線傳輸和互聯(lián)網(wǎng)概念，利用405 nm紫外光激發(fā)牙齒的自體熒光，經(jīng)成像系統(tǒng)成像后，通過無線傳輸系統(tǒng)將牙齒檢查圖像傳輸?shù)绞謾C(jī)伢偵探APP（用戶端APP）上顯示，醫(yī)生通過伢偵探APP（醫(yī)生端APP）遠(yuǎn)程看診，通過電子檢查單的形式給出具體的診斷和治療的建議，反饋給用戶，實(shí)現(xiàn)齲齒診斷。

1 齲齒的熒光特點(diǎn)

1.1 齲齒的早期病理表現(xiàn)

牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)主要由有機(jī)物和無機(jī)物（羥基磷灰石）構(gòu)成[11]，正常情況下牙釉質(zhì)處在脫礦與再礦化的動(dòng)態(tài)平衡中。當(dāng)口腔中的細(xì)菌與唾液中的糖類及食物殘?jiān)Y(jié)合時(shí)，它們會(huì)附著在牙齒的表面或凹坑、裂縫上形成菌斑。研究表明，致齲菌斑的主要分泌物有酸性物質(zhì)變異鏈球菌和乳酸桿菌，這些細(xì)菌會(huì)造成牙釉質(zhì)再礦化的速度小于脫礦的速度。當(dāng)再礦化的速度不斷降低，原有的動(dòng)態(tài)平衡逐漸被破壞，礦物質(zhì)流失導(dǎo)致牙釉質(zhì)疏松多孔，因此牙釉質(zhì)脫礦是齲齒的早期病理表現(xiàn)。

1.2 牙齒熒光光譜的差異性

牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)由于含有有機(jī)質(zhì)，在紫外光激發(fā)下會(huì)產(chǎn)生自體熒光[12]。各部分物質(zhì)不同的構(gòu)成比例會(huì)造成所產(chǎn)生的熒光光譜的差異性，例如在紫外光激發(fā)下，有機(jī)物構(gòu)成比例相對小的牙釉質(zhì)呈現(xiàn)綠色，而有機(jī)物構(gòu)成比例大的牙本質(zhì)則呈黃色。齲病相關(guān)微生物、牙菌斑、牙本質(zhì)、牙釉質(zhì)以及其他牙齒內(nèi)組織都可以被激發(fā)出熒光，但各自的熒光特性不同。

激光誘導(dǎo)熒光光譜可分為外源性熒光和自體熒光兩種：前者在待測生物體內(nèi)添加外源性熒光物質(zhì)，然后根據(jù)激光誘導(dǎo)產(chǎn)生特征性的熒光來診斷；后直接通過激光誘導(dǎo)生物組織產(chǎn)生自體熒光。自體熒光的光譜特性主要取決于生物組織的光學(xué)特性（輻射、反射、吸收及各向異性等）[13-14]。由于生化組成成分和形態(tài)結(jié)構(gòu)的差異性，不同組織各自具有獨(dú)特的光學(xué)特性和光譜特征[14]。在同樣條件的激發(fā)光誘導(dǎo)下，正常組織和病變組織產(chǎn)生的自體熒光光譜明顯不同，因此可以利用熒光光譜差異性來區(qū)分正常組織和病變組織，實(shí)現(xiàn)“光學(xué)活檢”[10,15]。

1.3 在4 0 5 n m激發(fā)光下牙齒的熒光特性

現(xiàn)有研究指出，在405 nm光源激發(fā)下成熟的牙菌斑會(huì)產(chǎn)生紅色自體熒光，覆有牙菌斑和牙結(jié)石的牙齒表面同樣會(huì)產(chǎn)生紅色的自體熒光，活躍性齲損組織也可產(chǎn)生紅色自體熒光，即波峰在630 nm左右的發(fā)射光譜[10]。細(xì)菌的特異性代謝產(chǎn)物卟啉物質(zhì)特別是原卟啉，是公認(rèn)的紅色熒光的主要貢獻(xiàn)者[15-16]。

在405 nm光激發(fā)下，作為牙齒無機(jī)礦物組織的固有熒光分布的羥磷灰石粉，其熒光光譜最大峰值位于約460 nm處，熒光分布，見圖1a；牙菌斑其熒光光譜最大峰值位于約630 nm處，熒光分布，見圖1b[17]。

圖1 在405 nm光導(dǎo)熒光下牙齒無機(jī)礦物質(zhì)組織及牙菌斑熒光光譜圖

通過文獻(xiàn)記載實(shí)驗(yàn)，對35顆牙齒樣本進(jìn)行自體熒光光譜測量，其中8顆為正常的健康牙齒，14顆淺齲，9顆中齲，4顆深齲。不同齲損的牙齒樣本的熒光光譜結(jié)果，見圖2[17]。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在405 nm光導(dǎo)熒光激發(fā)下，健康牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)的熒光峰值在480 nm左右，熒光分布，見圖2a。從圖中可以明顯看出，牙本質(zhì)的熒光光譜相比牙釉質(zhì)更偏向紅波段，因此，牙體硬組織無機(jī)物的熒光主要分布在440～520 nm之間。不同齲損程度牙齒樣本的典型光導(dǎo)熒光光譜，見圖2b～d。齲損組織均呈現(xiàn)兩個(gè)波峰：第一個(gè)波峰處于460～500 nm之間，其峰位值與健康牙組織、牙本質(zhì)、牙釉質(zhì)及羥基磷灰石的峰位值相同，所以該區(qū)域自體熒光的主要貢獻(xiàn)者是牙體硬組織[9]；第二個(gè)波峰在600～700 nm之間，和牙菌斑的最強(qiáng)峰的位置一致，所以可判斷這主要是由牙菌斑代謝物產(chǎn)生的[10]。通常情況下，熒光發(fā)射強(qiáng)度與熒光基團(tuán)分子的濃度成線性關(guān)系，光譜曲線也表明該區(qū)域的熒光強(qiáng)度隨齲損程度的增加而增加。

2 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了智能齲齒偵察儀，由偵察設(shè)備和手機(jī)APP軟件兩部分組成，偵察設(shè)備又包括光學(xué)成像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和充電模塊3個(gè)部分。外觀設(shè)計(jì)時(shí)，不僅考慮到簡單、大方的觀感，而且手持器使用醫(yī)用PC樹脂，外殼選用鋁合金材料，防水、防塵，確保衛(wèi)生、安全、環(huán)保，設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，見圖3。

圖2 不同齲損的牙齒樣本的熒光光譜圖

圖3 智能齲齒偵察儀設(shè)備圖

2.2 光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中（圖4），選擇6顆貼片405 nm波長LED作為激發(fā)光源放置在探頭周圍。因?yàn)辇x損組織在405 nm的光源激發(fā)下會(huì)發(fā)出紅色的自體熒光，該齲齒偵察儀以熒光顏色的差異來診斷牙齒的健康程度，所以選擇405 nm的激發(fā)光源作為特定的光源。

圖4 光學(xué)成像系統(tǒng)

在圖像采集部分通過熒光濾光片，濾掉激發(fā)光及其他雜散光，顯示出齲損組織明顯的紅色光譜，經(jīng)鏡頭聚焦后感光元件接收透過濾光片的熒光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)，傳給FH8610無線攝像機(jī)圖像信號(hào)處理芯片。FH8610是一款針對圖像傳感器、面向中低端無線攝像機(jī)應(yīng)用的視頻編碼芯片，支持多種CMOS傳感器，集成了智能去噪、圖像增強(qiáng)、色彩校正、自動(dòng)曝光以及白平衡等圖像引擎；同時(shí)集成了H.264視頻與JPEG/MJPEG圖像編碼器，并能提供多種輸入/輸出與對外通信控制接口。它具有功耗低，分辨率高，配置靈活，系統(tǒng)成本低等特點(diǎn)。智能齲齒偵察設(shè)備對器件功耗和圖像處理要求較高，該器件非常適合本設(shè)備使用。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)選用marvell88w8801無線Wi-Fi智能模塊將圖像傳輸?shù)绞謾C(jī)軟件。88w8801是一款高性能、低功耗、體積小SDIO接口無線模組，能夠快速方便的與無線設(shè)備互相聯(lián)通，無線傳輸速率高達(dá)72.2 M，是普通11 B產(chǎn)品的10倍。智能齲齒偵察設(shè)備要求圖像無線傳輸效率高，且便攜式設(shè)備要求體積小功耗低。故該無線Wi-Fi智能模塊高集成單芯片設(shè)計(jì)，支持深度睡眠和待機(jī)模式的低功耗操作及支持客戶端實(shí)施IEEE省電模式等性能可滿足設(shè)備的性能要求。

2.4 手機(jī)APP軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

手機(jī)APP軟件，命名為伢偵探，基于Android和iOS（iPhone Operating System）平臺(tái)設(shè)計(jì)，可安裝應(yīng)用于Android和iOS兩大類系統(tǒng)中。伢偵探APP主要包括用戶個(gè)人的偵查日志、健康咨詢和健康貼士3個(gè)部分（圖5a～b）。牙齒偵察具有特異性，因此建立用戶個(gè)人的偵察記錄尤為重要。用戶可以登錄伢偵探APP并注冊個(gè)人賬號(hào)，生成個(gè)人偵察相冊，便于隨時(shí)查看。進(jìn)入健康咨詢模式，可以訪問遠(yuǎn)程醫(yī)生的信息（包括醫(yī)生科室，醫(yī)院定位等），根據(jù)信息選擇合適的醫(yī)生進(jìn)行牙齒健康咨詢，可在聊天界面發(fā)送偵察圖像給醫(yī)生。醫(yī)生根據(jù)圖像分析牙齒健康狀況，給出合理建議，實(shí)現(xiàn)牙齒健康狀況的檢查。電子口腔檢查報(bào)告單，見圖5c。

3 產(chǎn)品測試及結(jié)果

該智能齲齒偵察儀內(nèi)置1300 mAh高性能鋰電池，充電3 h即可，綠燈亮起表示充電完成，可固定在家庭或辦公室內(nèi)使用。使用智能齲齒偵察儀可以清晰看到牙齒健康狀況，在臨床測試上，我們已經(jīng)開展了社區(qū)義診活動(dòng)，采集了大量齲病數(shù)據(jù)，具有代表性的圖片，見圖6。

根據(jù)偵察圖像，健康牙齒沒有或者極少有紅色熒光，對于早齲的牙齒，在它們發(fā)生齲損的部位能看到明顯的紅色熒光，這對醫(yī)生診斷早期齲齒有重要幫助。中齲的牙齒出現(xiàn)部分損壞，損壞嚴(yán)重部分的熒光顏色會(huì)加深。重度齲損的牙齒紅色熒光效果不明顯，但是有明顯的黑色。這些黑色部分表示牙齒大塊的脫落或者完全的侵蝕，已經(jīng)形成空洞。

4 總結(jié)

本研究針對齲齒早期檢測問題，基于“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療”的創(chuàng)新理念，集傳感、數(shù)據(jù)無線傳輸和互聯(lián)網(wǎng)概念，設(shè)計(jì)了一款智能的齲齒偵察設(shè)備，并對該設(shè)備應(yīng)用的理論基礎(chǔ)及各部分功能進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該設(shè)備可通過日常檢測牙齒檢查獲取個(gè)人牙齒的健康狀況等信息，并生成圖像傳輸?shù)绞謾C(jī)伢偵探APP上，同時(shí)可根據(jù)已獲得的牙齒圖像等信息遠(yuǎn)程咨詢牙科醫(yī)生，實(shí)現(xiàn)對齲齒的早期診斷早期預(yù)防。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備功能正常，運(yùn)行穩(wěn)定。后續(xù)將繼續(xù)完善功能，增加手機(jī)軟件上健康貼士的推送健康知識(shí)，以便用戶可以更好的了解牙齒健康常識(shí)。另外，未來將在大量搜集的圖像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)算法，自動(dòng)分析牙齒健康狀況并給與反饋。

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