引用本文
萧博成, 刘俊岩. 离体龋齿的光热锁相成像检测试验[J]. 光谱学与光谱分析, 2018,38(3): 933-940.
XIAO Bo-cheng, LIU Jun-yan. Experimental Study on Sensitivity of In-Vitro Caries Detection with Thermophotonic Lock-in Imaging (TPLI)[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(3): 933-940.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2018)03-0933-08  
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离体龋齿的光热锁相成像检测试验
萧博成1, 刘俊岩2,*
1. 哈尔滨顺迈中学, 黑龙江 哈尔滨 150525
2. 哈尔滨工业大学机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
*通讯联系人 e-mail: liywlj@hit.edu.cn

作者简介: 刘俊岩, 1978年生, 哈尔滨工业大学机电工程学院教授

收稿日期: 2017-01-23
基金: 国家自然科学基金项目(61571153)资助
摘要

牙齿龋损是人类一种广泛存在的口腔疾病, 如何能够尽早的发现早期龋齿, 对患者牙齿龋损的预防与治疗具有重要意义。 介绍了基于光热效应的光热锁相热成像技术, 光热锁相热成像技术具有无损伤、 高效率及探测面积大等优势被广泛应用于各类材料的无损检测。 基于光热锁相热成像技术原理对人为模拟龋损的人类离体牙齿组织进行成像检测试验研究。 首先开展了对不同模拟龋损位置离体牙齿的光热锁相成像试验, 采用防酸指甲油对牙齿组织测试面进行开窗受控龋损(开窗大小为5 mm×5 mm), 其中模拟龋损部位分别选择在牙齿组织的邻接面及牙颌面。 试验结果显示, 牙齿组织模拟龋损位置热波幅值增大, 相位滞后增大且光热锁相成像的幅值图与相位图与X射线成像相比对模拟龋损部位表现出高敏感及高特异性; 光热锁相成像技术对邻接面龋损比牙颌面龋损具有较高特异性。 其次开展了对平滑面牙齿组织样本的多天(0, 1, 2, 4及6 d)模拟龋损光热锁相成像跟踪试验研究, 牙齿组织龋损程度采用X射线方法进行量化。 试验结果表明, 当龋损时间小于6 d时, X射线方法无法对龋损位置进行有效识别, 而采用光热锁相热成像技术检测模拟龋损1 d的牙齿组织时, 幅值差为3.82, 相位差为10.57°, 证明光热锁相热成像方法对牙齿组织龋损具有较高敏感性。 提取的光热锁相成像幅值与相位与龋损时间具有良好的相关性。

关键词: 光热锁相成像; 离体龋齿; 受控龋损; 激光
中图分类号:TN219 文献标志码:A
Experimental Study on Sensitivity of In-Vitro Caries Detection with Thermophotonic Lock-in Imaging (TPLI)
XIAO Bo-cheng1, LIU Jun-yan2,*
1. Harbin Shunmai High School, Harbin 150525, China
2. School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
Abstract

According to the World Oral Health Report 2003, dental caries remains a major public health problem in most countries. Early detection is very important to the diagnosis and treatment of caries. The traditional dental caries detection methods, such as visual examination, probes, X-ray and other detection methods with low sensitivity and strong subjectivity, cannot meet the requirements of detecting early caries with high accuracy, reliability and specificity. Therefore, it is of great significance to find a kind of non-destructive, non-contact, high sensitive and high specific method to detect early caries. thermophotonic lock-in imaging (TPLI) detection technology based on photothermal effect is a non-destructive detection technology, and TPLI has the merit of high detection efficiency, large detection area and understandable detection result.Therefore, in this paper, artificially created demineralized on enamel of dental tissue was detected by TPLI, the detection ability of TPLI for caries regions which were selected on smooth surface, adjacent surface and the occlusal surface was investigated. The experimental samples were five molar teeth that had health surfaces and no visible defects, stains, or cracks. Two of them were spliced adjacently by epoxy glue to simulate adjacent surface. All samples were created 5 mm×5 mm rectangular windows on the smooth respectively , adjacent and occlusal surface, other surfaces were coated by acid-proof nail polish. Furthermore, the samples that artificially created demineralized on three different surfaces were imaged by TPLI and X-ray radiography after demineralized two days in the lactic acid gel (pH=4.5). The results showed that the amplitude value of caries area was larger than that of healthy area the phase delay became bigger due to demineralization. The amplitude images and phase images of TPLI were more sensitivity and more specificity to the artificial demineralization than the X-ray radiography. The smooth surface of a sample was selected to demineralize for different days, 1, 2, 4 and 6 d. Then the sample was imaged with TPLI and a X-ray radiography to decide quantitatively the degree of demineralization to prove the detection ability of TPLI. The results showed that the difference value of amplitude (healthy area amplitude and caries area amplitude) was 3.82 and the difference value of phase was 10.57° after 1d demineralization. However, X-ray detection method cannot recognize caries within demineralized 6d. The amplitude images and phase images of TPLI were consistent changes with caries time, and can found the caries very early. This paper proves the significance of TPLI to diagnosis and treatment of teeth.

Keyword: Thermophotonic lock-in imaging; In-vitro caries; Controlled demineralization; Laser
引言

龋齿作为一种常见病被世界卫生组织认定为世界三大重点预防疾病, 受到了越来越多的重视。 目前我国的龋齿患病率高达88.1%, 而美国等发达国家的无龋率为95%以上。 据统计龋齿及其引发的相关疾病仍然是威胁国人健康的常见口腔疾病[1]。 我国有80%以上的医院依然应用X射线于龋齿诊断, 而传统的龋齿检测方法X射线对其并不敏感。 美国等发达国家医院采用X射线进行诊断的比例低于5%。 发达国家使用更先进的光学方法来发现早期龋齿, 比如基于激光致荧光效应的龋齿检测技术等[2]。 早期龋齿的及时发现对于龋齿诊断与治疗起到十分重要的作用。

为提高早期龋齿的检测效果, 目前有很多先进的龋齿检测方法, 包括基于荧光效应的定量可见光致荧光效应(quantitative light-induced fluorescence, QLF)检测技术[3]、 激光致荧光(laser-induced fluorescence, LF)[4]以及基于双折射效应的光学相干层析成像(optical coherence tomography, OCT)技术[5]、 偏振拉曼(polarization raman spectroscopy, PRS)检测技术[6], 得以应用要临床龋齿检测主要是基于激光致荧光效应的DIAGNOdent检测仪[7]。 借助DIAGNOdent检测仪可以为口腔医生提供龋齿诊断依据。 但是目前为止还没有足够的证据证明此方法可以完全替代X射线等传统的龋齿检测方法。

频域光热辐射测量(frequency-domain photothermal radiometry, FD-PTR)技术常用于对复合材料、 金属板材缺陷的检测; 应用于牙齿检测的相关研究主要集中在加拿大多伦多大学的扩散波实验室[8]。 其团队对FD-PTR技术应用到早期龋齿检测做了大量研究。 日本大阪大学的Sakagami等[9]采用脉冲光热辐射测量(pulse heating photothermal radiometry, P-PTR)技术进行对离体牙齿进行成像。 相比较而言, FD-PTR技术更具优势, 可以得到有关组织包含幅频响应、 相频响应两个通道信息, 而P-PTR则只有一个信号通道, 同时采用FD-PTR的相位信息可以很好地避免热源加热不均的影响。

光热锁相热成像技术(thermophotonic lock-in imaging, TPLI)[10]是基于FD-PTR技术采用锁相算法提取信息的大面积成像技术, 主要克服了FD-PTR技术成像效率低的缺点, 所以本工作采用TPLI技术对模拟龋损的牙齿组织进行成像研究。

TPLI成像原理为, 激励光源产生光强规律变化的光, 光照射到牙齿组织由于光热效应导致组织产生温度涨落, 组织内部的热传导情况直接影响组织表面的热波信号。 表层这些携带组织信息的热波信号以热辐射的形式被红外热像仪接收。 其中热扩散深度与激光调制频率关系满足, μ = (α/πf), 其中μ 为探测深度, α 为材料热扩散系数, f为调制频率。 据此通过改变不同的频率可以探测生物组织不同厚度的信息。

研究的主要内容包括, 对未龋损处理以及龋损2天的不同位置牙齿样本进行TPLI成像试验, 同时与X射线成像效果进行对比, 验证TPLI成像对龋损的敏感程度; 对模拟光滑面龋损牙齿组织进行长时间跟踪试验, 通过X射线及视诊的检测效果量化检测能力。

1 实验部分

选取3颗表面无明显龋损及裂纹的磨牙, 分别编号为#S1, #S2, #S3。 将牙齿样本分别用环氧树脂胶固化在积木块(20 mm× 20 mm× 20 mm)上面, 需要测量的平面尽量保持平面状态以便测量, 将其保存在密闭容器中; 为保证密闭容器保持一定的湿度, 在密闭容器中放入蒸馏水。 模拟用的龋损液为乳酸、 氢氧化钠及羧甲基氢酸钠配置的pH值为4.5的溶液。 模拟龋损环境如图1所示。

图1 模拟龋损环境Fig.1 The simulation demin eralization environment

由于不同牙齿组织结构存在差异性, 即其光热响应存在差异, 所以采用样本自身对照试验, 即在所测平面进行开窗处理, 其余部位涂覆防酸指甲油, 指甲油对牙齿组织不产生任何影响。 选取试验样本分别在其平滑面及牙颌面进行开窗, 窗口大小为5 mm × 5 mm。 临床显示, 邻接面基本上无法清洁到, 很容易诱发邻接面龋损, 所以仿照日常刷牙的实际效果, 在两颗牙齿的缝隙处即邻接面进行模拟龋损处理。 为作对比, 同时对牙颌面和平滑面作开窗处理。 开窗效果如图2所示。

图2 牙齿样本开窗示意图
(a): #S1邻接面开窗; (b): #S2牙颌面开窗; (c)#S3平滑面开窗Fig.2 Schematic diagram of dental samples windows
(a): #S1; (b): #S2; (c): #S3

在进行开窗处理时, 必须对开窗部位外的区域均匀地涂覆防酸指甲油, 防止周围区域被腐蚀。 牙齿组织达到模拟龋损时间后, 首先将牙齿样本用自来水冲洗10 min, 然后用洗甲水将牙齿表面的指甲油清理干净, 再用自来水清洗10分钟, 干燥2 h进行试验。

为验证TPLI技术对龋损特异性, 首先对牙齿组织未龋损处理时进行TPLI成像试验, 然后对龋损2天后的牙齿组织进行TPLI成像, 对比成像效果, 观察龋损区域的变化, 提取龋损区域频域响应, 然后与X射线成像进行对比试验。 其次为验证TPLI技术敏感性, 对模拟平滑面龋损的试验样本进行0, 1, 2, 4及6 d跟踪试验, 对其进行TPLI成像, 同时通过视诊及X射线对TPLI检测效果进行量化评价。

TPLI成像系统原理如图3所示。 其原理为计算机控制数据采集盒(NI-6229数据采集卡)产生调制信号输出控制808 nm半导体激光器(峰值功率为50 W), 使其光强按调制规律变化。 激光照射到牙齿样本上, 由于光热响应, 牙齿组织会向周围辐射热信号。 辐射出热波信号被焦平面红外热像仪(FLIR SC7000, 响应波长3.6~5.2 μ m)采集。 红外热像仪采集到的信号与激光器的调制信号在计算机软件环境中进行数字锁相运算, 利用幅值与相位对牙齿样本进行成像, 从而找到龋损或者缺陷位置。 整个系统控制过程均在基于LabVIEW 2012软件环境下进行。

图3 TPLI系统原理图Fig.3 The experimental steup of TPLI

2 结果与讨论
2.1 TPLI成像检测龋损部位特异性试验研究

由于热扩散深度与光源调制频率有关, 频率过低则深层的组织信息将浅表层掩盖, 所以进行成像时需选择合适调制频率进行成像。 图4给出的牙齿组织#S1在调制频率为100 Hz时, 龋损与未龋损时的TPLI幅值图与相位图。 通过幅值图可以看出龋损两天后开窗部位幅值变高, 这主要因为龋损部位散射系数增大的同时增加了光子的局部吸收量, 热量也相应的提高。 开窗部位相位图也可以对龋损位置进行识别。 但100 Hz调制频率下检测结果不明显, 主要是由于100 Hz探测深度未达到龋损区域。 图5给出的是样本在调制频率为10 Hz的TPLI幅值图与相位图, 从中可以明显的看出龋损区域。

图4 #S1牙齿组织调制频率在100 Hz下的TPLI成像结果
(a): 龋损0 d幅值图; (b): 龋损2 d幅值图; (c): 龋损0 d相位图; (d): 龋损2 d相位图Fig.4 The TPLI results of #S1 at 100 Hz
Amplitude images of being demineralized (a): 0 day; (b): 2 days; Phase images of being demineralized (c): 0 day; (d): 2 days

图5 #S1牙齿组织调制频率在10 Hz下的TPLI成像结果
(a): 龋损0 d幅值图; (b): 龋损2 d幅值图; (c): 龋损0 d相位图; (d): 龋损2 d相位图Fig.5 The TPLI results of #S1 at 10 Hz
Amplitude images of being demineralized (a): 0 day; (b): 2 days; Phase images of being demineralized (c): 0 day; (d): 2 days

图6给出的是图5(b)和(d)中箭头所指直线处的幅值与相位, 由图6可知, 龋损后开窗部位的幅值增高, 相位下降。 由于牙本质层大的吸收系数可以假定为内热源, 内热源热波的背向传输与正向传播的热波起到干涉作用, 使热波在低频时随着龋损尺度加深, 热波滞后值增大, 当大于某一频率时, 随着龋损尺度增大, 热波滞后减小。

图6 图5(b)标示直线处未龋损及龋损对比曲线
(a): 幅值; (b): 相位Fig.6 The comparison curve between healthy area and demineralization area along the dashed line shown in Fig.5(b)
(a): Amplitued; (b): Phase

图7给出的是模拟牙颌面龋损#S2牙齿组织TPLI幅值图与相位图, 由图7可知, 幅值图中可以明显的看出开窗龋损区域; 相位变化比较大所以相位图对龋损边缘有明显的识别性。 图8给出的是图7(b)和(d)中箭头所指直线处的幅值与相位对比曲线。

图7 牙颌面样本100 Hz TPLI成像结果
(a): 龋损0 d幅值图; (b): 龋损2 d幅值图; (c): 龋损0 d相位图; (d): 龋损2 d相位图Fig.7 The TPLI results of #S2 at 100 Hz
Amplitude images of being demineralized (a): 0 day; (b): 2 days; Phase images of being demineralized (c): 0 day; (d): 2 days

图8 图7(b)标示直线处未龋损及龋损对比曲线
(a): 幅值; (b): 相位Fig.8 The comparison curve between healthy area and demineralization area along the dashed line shown in Fig.7(b)
(a): Amplitude; (b): Phase

图9给出的为#S1及#S2牙齿组织样本开窗龋损2 d后的X射线成像图, 经口腔医生根据X-射线图判断三个牙齿开窗均无明显的脱矿龋损现象。

图9 #S1及#S2牙齿样本的X射线图
(a): 模拟邻接面龋损#S1样本; (b): 模拟牙颌面龋损#S2样本Fig.9 The X-ray radiographies of dental samples
(a): #S1; (b): #S2

通过对临接面及牙颌面两个样本的TPLI成像可以看出, TPLI可以在视诊及X射线未发现龋损时发现龋损部位, 证明TPLI对早期龋损发病位置具有较好的特异性。

2.2 TPLI成像检测龋损部位敏感性试验

为验证TPLI检测方法对牙齿龋损位置敏感性, 特选取牙齿样本#S3, 在其平滑面位置进行开窗处理并进行模拟龋损处理。 其中牙齿的模拟龋损时间分别为0, 1, 2, 4及6 d。 图10给出了#S3牙齿组织龋损6 d后的X射线成像图及龋损6天后的光学图片。

图10 (a)模拟龋损6 d后的X射线成像检测结果; (b) 龋损6 d后牙齿的光学成像Fig.10 The X-ray radiographies and optical image of #S3 after 6 days demineralization
(a): The X-ray radiographies; (b): Optical image

由图10可以较为清晰的看出, 模拟龋损牙齿组织6天后的X射线检测结果并未检测出明显的龋损现象, 但此时通过光学图片可以较为清晰的看出模拟龋损区域(图10箭头所指方框)出现白恶化, 此时即说明存在轻微龋损。

图11给出的为平滑面牙齿组织模拟龋损处理前及龋损6 d后在100 Hz调制频率下的热波检测幅值图与相位图。

图11 平滑面牙齿龋损前后TPLI成像图
(a): 龋损0 d幅值图; (b): 龋损6 d幅值图; (c): 龋损0 d相位图; (d): 龋损6 d相位图Fig.11 The TPLI results of #S3 before and after demineralization
Amplitude images of being demineralized (a): 0 day; (b): 6 days; Phase images of being demineralized (c): 0 day; (d): 6 days

由图11(a)和(c)可以较为清晰的看出, 模拟龋损处理前热波幅值特性较为均匀, 这说明组织较为均匀; 而热波相位特性则较为明显可以看出组织的不均匀性, 因此通过此实验可以看出相位特性较幅值特性可表现出更为详细的组织表层信息。 通过观察龋损处理后的光热检测结果可以看出, 幅值特性与相位特性可以明显分辨出龋损位置。 图11(b)及图11(d)中, 1#位置为龋损区域, 2号位置为指甲油区域, 3号位置为存在的浅表层裂纹。 由图11(b)可以较为明显的看出, 健康的牙釉质对于波长为808 nm激光呈半透明状。

图12为提取图11(d)中特征5所示直线随龋损时间变化的幅值特性与相位特性的变化。 为方便观察相位特性随时间的变化趋势, 在本试验分析中将龋损不同时间(> 0 d)的模拟龋损牙齿组织相位都与未龋损时相位做差, 将龋损0天时相位归为0° 。

图12 100 Hz下平滑面牙齿组织随时间龋损幅值结果相位结果变化曲线图
(a): 直线位置幅值曲线; (b)直线位置相位曲线Fig.12 The change of phase and amplitude of #S3 over time at 100 Hz
(a): Amplitude change curve; (b): Phase change curve

由图12可以看出, 模拟龋损位置(2~5 mm区间)的幅值特性与相位特性相较于未龋损位置对应值高, 同时随着龋损时间不断延长, 龋损位置的热波幅值特性与相位特性逐渐增大。 出现这种现象主要是因为随着龋损程度的加剧牙齿组织逐渐变成多孔易渗结构, 且这种多孔结构扩展呈加剧状态, 进而对光散射和吸收逐渐加大。 牙齿组织对于光子的吸收的增多导致产生热量相应增加, 进而导致幅值特性值随龋损时间增加而不断增大; 牙齿组织模拟龋损加剧, 由于结构变化, 组织的光吸收系数与散射系数逐渐增大, 进而导致光扩散长度减的小, 这直接导致更多热量在浅表层产生, 牙齿组织的热波质心前移, 从而使相位滞后量减小。 由于每次进行光热锁相成像检测前都需要将事先涂覆的防酸指甲油进行去除, 但在涂覆过程中并不能保证涂覆防酸指甲油的均匀性, 同时龋损溶液也会对指甲油涂覆区域进行轻微腐蚀, 进而引起图12中未龋损区域也存在同龋损区域同样的变化, 但是热波特征信息变化幅度较小。

对图12中龋损位置相位特征与幅值特征求均值, 进而可以获取牙齿龋损区域光热锁相成像频域信号随不同龋损时间的变化。 表1是光热锁相成像检测技术、 X射线检测技术对模拟龋损牙齿组织检测敏感度对比的对比结果, 由表1可以看出, 光热锁相成像可以在较短的龋损时间对其龋损位置进行准确识别。 试验结果说明光热锁相成像检测方法对牙齿早期龋损检测具有较高的敏感性。

表1 光热锁相成像与X射线及视诊敏感性对比 Table 1 The detection capability of different caries detection methods

本文通过对牙齿模拟龋损的光热锁相成像检测试验研究, 可以看出, 此方法对于牙齿组织的早期龋损具有较高的敏感性与特异性。

3 结论

利用波长为808 nm的调制激光作用于牙齿组织进行了光热锁相成像检测(TPLI)的初步试验研究。 对健康及人为模拟龋损牙齿组织进行了光热锁相成像与X射线成像的对比试验研究, 结果表明光热锁相成像检测方法对牙齿组织参数不均性及龋损区域具有较高特异性; 通过对模拟龋损牙齿的长时间跟踪试验研究, 结果发现光热锁相成像技术对牙齿模拟龋损位置及龋损的程度具有较高的敏感性。 通过本文针对于人类模拟龋损牙齿组织的光热锁相成像检测试验研究表明, 采用光热锁相成像检测技术可以实现对于早期龋齿的诊断, 此技术的应用对龋齿的早期诊断、 预防与治疗具有重要意义。

The authors have declared that no competing interests exist.

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