Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Biomedical Optics and Optometry, Key Laboratory of Medical Optical Technology and Instruments Ministry of Education, University of Shanghai for Science & Technology, 200093, P. R. China
2 Department of Paediatric Dentistry, Ninth People’s Hospital, Shanghai Jiaotong University, 200011, P. R. China
3 Equipment Department, Nantong Hospital of Traditional Chinese Medicine, 226007, P. R. China
4 Engineering Research Centre for Optical Instruments and Systems, Ministry of Education, Shanghai Key Laboratory of Modern Optical Systems, University of Shanghai for Science & Technology, 200093, P. R. China
Objective:We applied hyperspectral imaging (HSI) system to distinguish early caries from sound and pigmented areas. It will provide a theoretical basis and technical support, for research and development of an instrument that could be used for screening and detection of early dental caries.
Methods:Eighteen extracted human teeth (molars and premolars), with varying degrees of natural pathology and no degree of decay involving dentin were obtained. HSI system with a wavelength range from 400 to 1000nm was used to obtain images of all 18 teeth containing sound, carious and pigmented areas. We compared the spectra of the wavebands at both 500nm and 780nm from the different tooth states, and the reflectance difference between sound versus carious lesions and sound versus pigmented areas, respectively.
Results:There was a slight difference in reflectance between carious areas and pigmented areas at 500nm. A substantial difference was additionally noted in reflectance between carious areas and pigmented areas at 780nm.
Conclusion:The results have shown that the interference of tooth surface pigment can be eliminated in the near-infrared (NIR) waveband, and the caries can be effectively identified from the pigmented areas. Thus, it could be used to detect carious areas of teeth in place of the traditional visual inspection method or white light endoscopy.
Clinical significance:The NIR diffused light signal enables the identification of early caries from pigment and other interference, providing a reasonable detection tool for early detection and early treatment of teeth diseases.
Hyperspectral imaging near-infrared light early dental caries spectral reflectance Journal of Innovative Optical Health Sciences
2023, 16(3): 2250036
针对不同龋齿损伤程度有效表征问题, 探究一种光谱偏振无损低耗的检测方法, 作为对常规检测方法如化学分析法、 表面轮廓测定法、 显微放射照相术的有益补充。 牙齿龋齿损伤由脱矿溶解牙釉质与牙本质的钙与磷酸盐造成, 牙齿组织表面微观结构发生了不同程度的变化, 结构的变化导致其对光波散射特性与相位改变呈现不同程度的差异。 基于偏振光谱对观测样本表面微观结构敏感的特征, 不同龋齿损伤样本其表面微观结构变化与偏振信息强烈关联, 提出一种光谱偏振有效表征牙齿龋齿损伤度的方法。 分别选取450, 550, 670和860 nm四个不同观测光谱研究波段, 选择六个不同龋坏程度的实验样本, 选取偏振度参量描述不同牙齿样本的光谱偏振特性。 实验结果表明, 同一观测光谱波段随着牙齿龋坏程度的加深其偏振度表征参量呈现增加趋势, 同时, 对于同一观测样本450 nm光谱波段的偏振特性强于其他波段, 呈现观测光谱波段与其偏振特性负相关关系。 为进一步定量刻画偏振光谱与牙齿龋坏损伤等级的表征关系, 构建光谱偏振特征参量与不同损伤等级牙齿样本的指数关联数学模型, 通过数学模型解译其内在耦合关联。 为有效验证构建模型的稳健性, 对模型仿真预测结果与实测数据进行定量化验证, 选取和方差(SSE)、 模型确定系数(R-square)、 均方根(RMSE)等评价因子对构建的模型进行定量评判。 结果表明, 四个不同光谱波段的模型确定系数均接近于1, 和方差与均方根数值均较小, 且450nm观测光谱波段接近于0, 定量评价结果验证了构建模型的稳健性与有效性, 构建模型可有效解译不同龋齿样本与光谱偏振特征的耦合关联。 该研究内容有效扩展了牙齿龋齿检测方式, 揭示了光谱偏振可有效表征龋齿损伤, 发展了一种无损低耗的新型偏振光谱检测技术手段。
光谱偏振 龋齿 模型 定量评判 Polarization spectrum Dental caries Model Quantitative evaluation
1 河北省承德市承德医学院附属医院口腔科, 河北 承德 067000
2 河北省承德市承德医学院, 河北 承德 067000
目的：探讨以甲苯胺蓝O(toluidine blue O, TBO)为光敏剂的光动力疗法(photodynamic therapy, PDT)抑制大鼠混合菌生物膜内主要致龋菌作用的影响。方法：以变形链球菌、血链球菌、嗜酸性乳杆菌和粘性放线菌为实验菌株, 建立牙菌斑生物膜模型。实验分为5组, 将40只大鼠随机分配, 8只大鼠为一组:A组用生理盐水处理, 作为阴性对照; B组用洗必泰处理, 作为阳性对照组; C组单纯激光组, 选择波长为630 nm, 应用输出强度为105 mW/cm2, 照射时间为9 min。D组单纯光敏剂组, 光敏剂浓度100 mg/L避光孵育5 min。E组TBO-PDT组, 光敏剂浓度为100 mg/L然后避光孵育5 min后, 应用波长为630 nm, 输出强度为105 mW/cm2进行激光照射。每只大鼠口腔分为4个区, 均选择每区内最后2个磨牙, 每只大鼠共计8个样本牙。平板菌落计数观察牙菌斑生物膜活性, 组织病理切片观察PDT对实验动物口腔软组织的影响。扫描电镜观察PDT作用前后牙齿表面形态的变化。结果: 与生理盐水处理组, 洗必泰处理组相比, TBO-PDT处理组牙菌斑内致龋菌存活的数量( CFU/mL)明显减少(P<0.05),其抑菌率为89.07%; 而C组与D组无明显抑菌效果。扫描电镜显示TBO-PDT组的磨牙表面比较光滑, 脱矿孔表浅。病理切片示TBO-PDT组牙周组织无明显损伤。结论：实验表明光动力疗法有明显的防龋效果, 且对牙体硬组织及牙周组织无明显损伤。
光动力疗法 龋齿 菌斑生物膜 photodynamic therapy dental caries plaque biofilm
1 承德医学院附属医院口腔科, 河北 承德 067000
2 承德医学院, 河北 承德 067000
目的: 体外构建符合人体生理环境的龋齿模型, 探讨光动力疗法(Photodynamic therapy, PDT)防龋过程中, PDT对口腔生物膜中致龋菌变形链球菌以及远缘链球菌的作用; 分析PDT防龋不同剂量的光敏剂以及激光能量对龋齿菌斑抑菌效果的影响, 为防龋的临床实践提供实验依据。方法: 通过体外远缘链球菌和变形链球菌体外抑菌实验, 选择合适的光敏剂和激光剂量; 选用变形链球菌以及远缘链球菌在体外构建符合人体生理环境的龋齿模型, 并对人工龋模型中口腔生物膜生长曲线进行检测, 以及釉质块表面显微硬度测定; 检测HMME-PDT对细菌生长活力以及产酸的影响, 采用显微硬度分析龋齿表面硬度变化, 探讨PDT防龋的作用机制。结果: 通过在体外对变形链球菌以及远缘链球菌的培养实验, 选定HMME-PDT防龋的最佳HMME剂量为50 μg/ml, 激光光照剂量为78 J/cm2; 将牙釉质与致龋菌的共培养成功构建人工龋模型, 人工龋齿组釉质表面显微硬度显著低于致龋前, 差异有统计学意义(P＜0.05); 口腔生物膜内致龋菌的生成曲线在第3天达到平台期; PDT防龋可有效的抑制人工龋口腔生物膜中远缘链球菌以及变形链球菌的生长活力和产酸能力, 相比于阴性对照组, 差异有统计学意义(P＜0.05), 从而维持人工龋釉质块表面显微硬度, 并显著高于其他组, 差异有统计学意义(P＜0.05); 在大鼠龋齿模型中, PDT治疗能够显著改善大鼠牙龈上皮组织, 骨组织等的异常。结论: 选择合适的光敏剂剂量以及最佳的激光光照剂量, 可有效的抑制人工龋口腔生物膜中远缘链球菌以及变形链球菌的生长活力, 抑制其产酸能力, 从而防止釉质的表面显微硬度进一步被破坏, HMME-PDT在龋齿的治疗中有着重要的临床价值。
光动力学疗法 龋齿 口腔生物膜 photodynamic therapy HMME-PDT HMME-PDT dental caries oral biofilm
1 承德医学院附属医院口腔科, 河北 承德 067000
2 承德医学院, 河北 承德 067300
目的: 探讨不同光敏剂浓度和不同光照时间的HMME-PDT对大鼠口腔混合菌菌斑生物膜的抑制效果, 确定最佳光敏剂参数和时间参数, 并在此基础上探讨HMME-PDT在抑制混合菌菌斑生物膜的优势, 为PDT应用于龋病的预防提供理论与实验依据。方法: 以 Wistar 大鼠构建混合菌致龋模型。将其随机分组: A组为生理盐水阴性处理组, B组为氟化钠阳性对照组, 其余组别根据光敏剂浓度的不同, 分为C1组20 mg/L, D1组30 mg/L, E1组40 mg/L, F1组50 mg/L, G1组60 mg/L, 避光孵育5 min后, 波长为532 nm的半导体激光器照射90 s, 光斑半径为0.5 cm, 功率密度为0.14 W/cm2。根据照射时间的不同, 分为C2组30 s, D2组60 s, E2组90 s, F2组120 s, G2组150 s, 光敏剂浓度40 mg/L避光孵育5 min后用波长为532 nm的半导体激光器照射, 光斑半径为0.5 cm, 功率密度为0.14 W/cm2照射。实验处理后取样, 通过平板菌落计数法观察各组对大鼠口腔混合菌生物膜的抑制作用, 原子吸收分光光度计测定光动力疗法作用后大鼠口腔混合菌生物膜的钙离子溶出量, 评价HMME-PDT对大鼠口腔混合菌菌斑生物膜的抑制作用。结果: 1.不同光敏剂浓度下HMME-PDT对大鼠口腔混合菌菌斑生物膜抑菌效果的影响。平板菌落计数结果显示: 不同光敏剂浓度的各组抑菌率随光敏剂浓度的增加而增高。与阴性对照组及阳性对照组相比E1组有明显差异。2.不同光照时间下HMME-PDT对大鼠口腔混合菌菌斑生物膜抑菌效果的影响。平板菌落计数结果显示: 不同光照时间的各组抑菌率随时间的增加而增高。与阴性对照组及阳性对照组相比E2组有明显差异。3.原子吸收分光光度计测定钙离子溶出量结果显示, 在48小时内, 各组钙离子溶出量(μg/ml)随时间的延长而增加。与阴性对照组相比PDT组各时间点的钙离子溶出量均显著减小(P＜0.05)。与阳性对照组相比PDT各组均能使钙离子溶出量减小(P＜0.05), 其中E1组与E2组改变最明显。结论: HMME-PDT对大鼠口腔混合菌生物膜有明显抑制作用, 实验证实HMME-PDT最佳光敏剂浓度为40 mg/L, 最佳光照时间为90 s。光动力疗法能有效抑制大鼠口腔混合菌菌斑生物膜中的致龋菌, 可减少早期龋病的钙离子溶出量, 不但阻止了釉质继续脱矿, 而且促进了釉质的再矿化。PDT在龋病的预防中具有广阔的临床应用前景。
光动力疗法 龋齿 生物膜 photodynamic therapy dental caries plaque biofilm
1 天津医科大学口腔医学院, 天津 300070
2 中国医学科学院生物医学工程研究所, 天津 300070
目的: 探讨细菌外排泵抑制剂(microbial efflux pump Inhibitor, EPI) ——维拉帕米对以甲苯胺蓝O(toluidine blue O, TBO)为光敏剂的光动力疗法(photodynamic therapy, PDT)抑制牙菌斑生物膜内主要致龋菌作用的影响。方法: 以变形链球菌、血链球菌、嗜酸性乳杆菌和粘性放线菌为实验菌株, 建立牙菌斑生物膜模型。以维拉帕米作为细菌外排泵抑制剂, 根据在PDT过程中加入维拉帕米和光敏剂的先后顺序, 实验分为5 组。A组: 生理盐水处理组。B组: 单纯PDT处理组。C组: 同时加入光敏剂和维拉帕米PDT处理组。D组: 先加入维拉帕米后加入光敏剂PDT处理组。E组: 先加入光敏剂后加入维拉帕米PDT处理组。平板菌落计数观察牙菌斑生物膜活性, 并运用激光共聚焦显微镜(Confocal laser scanning microscopy, CLSM)对处理后的牙菌斑生物膜进行断层扫描、分析。结果: 与生理盐水处理组相比, 单纯PDT处理组牙菌斑内致龋菌存活的数量( CFU/mL)明显减少(P＜0.05),其抑菌率为81.02%; 与单纯PDT处理组相比, 加入维拉帕米的PDT处理组内牙菌斑内致龋菌存活数量有下降趋势。其中先加入维拉帕米后加入光敏剂PDT处理组牙菌斑内致龋菌存活数量显著性下降(P＜0.05), 抑菌率高达93.60%; 激光共聚焦显微镜观察发现菌斑生物膜发生明显的变化。结论: 实验表明光动力疗法有明显的防龋效果, 且细菌外排泵抑制剂对PDT防龋效果有促进作用。
光动力疗法 龋齿 菌斑生物膜 细菌外排泵 激光共聚焦显微镜 photodynamic therapy dental caries plaque biofilm microbial efflux pump inhibitor confocal laser scanning microscopy
天津大学精密仪器与光电子工程学院, 光电信息技术科学教育部重点实验室, 光偏振研究中心, 天津 300072
利用shear-warp算法对离体牙的光学相干层析图像进行三维重建, 通过不透明度传递函数的合理设置及光照模型的引入实现牙齿内部组织结构的可视化, 便于医生在早期龋齿诊断中定位病变。介绍了shear-warp算法的原理、用于龋齿检测的全光纤光学相干层析成像系统及其二维层析图, 以及利用离体牙牙冠的二维层析图重建获得三维结构图。
光学相干层析 龋齿 三维重建 optical coherence tomography dental caries shear-warp shear-warp 3D reconstruction
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术科学教育部重点实验室光偏振研究中心, 天津 300072
2 天津市口腔医院南开大学附属口腔医院实验研究中心, 天津 300041
利用错切变形(shear-warp)算法对离体牙的光学相干层析图像进行三维重建，实现牙齿三维组织结构的可视化，便于医生对病变进行定位，为早期的龋齿诊断提供依据。介绍了shear-warp算法的原理、用于龋齿检测的全光纤光学相干层析成像系统，以及使用该系统扫描得到97幅离体牙牙冠的二维层析图并重建获得三维结构图。
医用光学 光学相干层析 龋齿 三维重建 错切变形(shear-warp) 光学学报
2010, 30(s1): s100412
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术科学教育部重点实验室光偏振研究中心, 天津 300072
2 天津市口腔医院暨南开大学附属口腔医院实验研究中心, 天津 300041
早期龋齿是由牙齿内部脱矿造成的, 脱矿区导致后向散射系数增加。提出一种通过光学相干层析(OCT)检测早期龋齿的方法, 通过研制的全光纤OCT系统对人离体牙齿进行成像, 获得了正常人离体牙齿的二维断层图像, 并采用酸蚀法对人正常离体牙齿分别进行了12, 24, 48, 72, 96和120 h人工体外龋齿建模, 使用全光纤OCT系统对人工龋齿脱矿程度进行定量测量, 测量结果满足人工致龋深度与人工致龋时间之间的线性关系, 验证了通过采用OCT方法定量测量牙齿脱矿程度来检测早期龋齿的可行性。
医用光学 光学相干层析 人工龋齿 早期龋齿 脱矿
1 天津医科大学 口腔医院,天津 300070
2 天津医科大学 生物医学工程系,天津 300070
为探讨光动力疗法(PDT)对人工龋菌斑生物膜的的作用,选用变形链球菌在体外构建符合人体生理环境的人工龋模型,选择血卟啉单甲醚(HMME)为光敏剂,激光照射选用半导体激光器,波长为635 nm,输出功率为10 mW,能量密度为12.47 J/cm2。用50个釉质块形成人工龋模型,随机分成5组,每组10块,分别为:1) HMME组;2) 激光照射组;3) PDT防龋组;4) 0.05%(质量分数)洗必泰处理组为阳性对照;5) 0.9%(质量分数)生理盐水处理组为阴性对照。依照平板细菌计数法观察不同处理方法对人工龋菌斑生物膜变形链球菌活力的影响。结果表明,与阴性对照组相比,HMME组人工龋口腔生物膜中变形链球菌数量(CFU/mL)无显著性差异(P>0.05),杀菌率仅为0.05%;激光照射和0.05%洗必泰均能使人工龋口腔生物膜中变形链球菌数量显著减少(P<0.05),杀菌率分别为59.94%和58.52%;而PDT防龋处理可使人工龋口腔生物膜中变形链球菌数量更为显著减少(P<0.05),杀菌率高达99.36%。HMME-PDT可有效杀灭人工龋口腔生物膜中的变形链球菌,为预防龋病提供了一种有效的新途径。
光动力疗法 口腔生物膜 龋齿 光敏剂 单态氧
