齲齒的快速檢測方法研究

張浩穎，皇甫勝男，高體杰，賴光云，項華中，鄭 剛，陳明惠，汪 俊，王 成

（1.上海理工大學 生物醫學光學與視光學研究所，上海 200093；2.上海理工大學 教育部醫用光學技術與儀器重點實驗室，上海 200093；3.上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院 兒童口腔科，上海 200023）

引 言

口腔作為消化系統的起始部位，因其溫熱潮濕的特定環境，高糖食物的頻繁攝入和唾液的作用，成為口腔微生物賴以定植生存的重要生態區。目前，發現的口腔微生物已超過700種[1]，包含細菌、真菌、病毒等，它們寄居在牙齒、舌、齦溝等口腔組織表面，其中細菌是口腔微生物的主體，主要附著在口腔微生物膜上，而微生物膜中菌群的失衡是誘發齲齒的主要原因[2]。此外，包括牙齦卟啉單胞菌、中間普氏菌等多種致齲菌在與口腔微生態相關的各種全身系統性疾病中被檢出。

現階段，人們越來越關注口腔健康狀況以及注重口腔疾病的預防，然而早期的齲齒很難通過X線片，視診法和觸摸法發現。光學方法因其無電離輻射，評估牙釉質效果更好等優點，在早期齲損檢測中受到廣泛應用，包括定量光誘導熒光技術、光熱輻射技術、光纖透照法等。因此，準確獲取早期齲齒信息，及時有效的診治不僅有利于口腔健康，也有利于全身健康。本文將主要介紹光學領域里早期齲齒的快速檢測方法以及口腔疾病對全身健康的影響。

1 齲齒及致病菌快速檢測技術

目前，齲病的檢測主要是基于X線片，并根據經驗診斷口腔問題，但只能是在某個特定的場所，且有電離輻射等缺點。研究者們深入探索早期齲齒的檢測方法，以及致病菌的致病機理，不斷改進檢測技術。如：定量光誘導熒光技術（quantitative light-induced fluorescence，QLF）[3]，激光熒光齲齒檢測（DIAGNOdent，DD）[4]，光熱輻射測量技術（ photothermal radiometry，PTR）[5]，光纖透照法（fiber optic transillumination，FOTI）[6]等。

1.1 定量光誘導熒光技術

定量光誘導熒光技術（quantitative lightinduced fluorescence，QLF ）工作原理為（405±20） nm的光照射在牙齒上，激發出熒光。牙齒健康區域呈綠色熒光，齲損部位由于脫礦而導致出射熒光強度小于周圍健康組織，呈現暗斑。齲齒熒光檢測儀（quantitative light-induced fluorescence digital，QLF-D）依據這種原理，加入濾光片，使牙齒表面健康區域呈白色，脫礦區域更暗，該技術可用于檢測咬合面和光滑面齲損。

Lee等[7]將人唾液在不同濃度的蔗糖環境下培養出具有不同程度致齲性的牙菌斑生物膜，采用QLF-D在405 nm藍光下采集生物膜熒光圖像，通過定量分析，發現紅色熒光與體外培養的牙菌斑微生物膜的致齲特性有關。隨后Lee等[8]將牙菌斑生物膜的紅色熒光用作評估抗菌劑功效的指標，通過將生物膜在蔗糖環境下培養后，分別用洗必泰（chlorhexidine，CHX）與無菌蒸餾水處理后，發現CHX可以降低牙釉質的礦化。

本團隊[9]將自體熒光技術與內窺鏡技術相結合，首次采用雙通道成像結合深度學習算法，研發出一款齲齒檢測儀（見圖1（e）），在405 nm光激發下，可在牙齒上以自體熒光成像的形式檢測牙菌斑，健康狀態的牙齒沒有形成牙菌斑膜，所以沒有紅色自體熒光（見圖1（a）），而久未清潔的牙齒，成型的牙菌斑膜在405 nm光照射下，顯示紅色自體熒光（見圖1（b）），在白光照射下，可捕捉到白斑病變、齲齒等牙齒圖像（見圖1（c）和（d）），并通過無線網絡傳輸到智能手機，通過牙齒圖像確定口腔健康，操作簡便，儀器小巧易攜。

1.2 激光熒光齲齒檢測儀

DIAGNOdent是專用于檢測齲齒的儀器，其基本原理如圖2所示，采用655 nm光源照射牙齒，利用齲損部位上的光強分布與健康部位不同，通過采集光強的大小，實現對齲齒損壞程度的描述，中心纖維傳導發射激光束，周邊纖維傳導反射激光，在儀器上以數值形式表示牙齒脫礦程度。數值越大，熒光強度越強，齲損越嚴重，具體數值如表1所示。

由德國KaVo公司開發的DIAGNOdent具有可靠性高，不受牙齒發育程度的影響等優點，靈敏度高于視診法，特異度高于電阻抗法[10]，對窩溝齲的敏感性高于X線檢查[11]。

圖1 檢測圖像[9]Fig.1 Teeth detected by dental caries detector[9]

圖2 DIAGNOdent原理圖[12]Fig.2 Schematic diagram of DIAGNOdent

表1 DIAGNOdent顯示數值與牙齒礦化的關系[13]Tab.1 Relationship between DIAGNOdent display value and tooth mineralization

1.3 PTR 技術

PTR技術是一種基于光熱效應的檢測技術。此技術采用調制激光照射樣本表面，樣本吸收部分光能并將其轉化為熱能，再采用熱探測器探測樣本表面熱能輻射的熱波信號，經處理獲取熱輻射信號的幅值及相位的數據及圖像[14]。由于牙齒受損部位與正常部位存在形態上的差異，所以得到的熱信號會產生一定的對比度。有研究采用PTR技術比較分析齲損和健康牙齒，發現該方法在牙釉質層5 mm以內的部分具有更高的靈敏度。

The Canary System正是基于PTR原理的早期齲齒檢測儀，具有無損、安全、體積小、檢測迅速、靈敏度高等優點，它采用660 nm激光，2 Hz頻率對牙齒進行主動式熱激勵，可探測50 μm至5 mm的齲損。通過對比DIAGNOdent和The Canary System對窩溝封閉劑下的繼發齲齒研究[15]，并與視診法相比，發現The Canary System的檢出率不如DIAGNOdent的準確度高，表明The Canary System對齲齒檢測的靈敏度還需改善和提升。

1.4 光纖透照法

光纖透照法（fiber optic transillumination，FOTI）作為傳統視診方法的補充用于早期齲損的檢查，其原理是近紅外光照射在牙齒上，由于齲損部位光的散射和吸收比健康牙齒多，導致脫礦的牙釉質在光透照下表現為灰色暗帶，牙本質齲表現為褐色或桔黃色[16]。

在此基礎上，KaVo公司將數字成像與FOTI結合，研發出基于數字化光纖透照法（digital imaging fiber optic transillumination，DIFOTI）的DIAGNOcam（DC）[17]，與X線片相比，DC無電離輻射，對孕婦、兒童更友好，且對鄰面齲及齲洞深度的檢測較好，采集的圖像可以存儲并可重復測量，但檢測過程受環境光線影響較大，準確度有待提高。

1.5 SoproLife

SoproLife口腔內窺鏡采用兩組LED，可在白光或藍光模式（波長：450 nm）下照射牙齒表面。相機配有圖像傳感器（CCD），該圖像傳感器由覆蓋有補色濾光片的像素組成，收集到的數據與每個像素接收到的能量有關，使牙齒的圖像能夠被檢索并存儲在計算機中[18]。

有研究[19]評估SoproLife在早期齲病的體外再礦化檢測和量化方面的功效，發現SoproLife可用于早期發現和長期監測再礦化，Panayotov等[20]用SoproLife相機在齲齒牙本質中觀察到的紅色熒光與日光下觀察到的褐色相對應，為齲齒牙本質的紅色熒光提供了新的生物學基礎，并加強了SoproLife相機在齲病診斷中的重要性。Zeitouny等[21]證實 SoproLife與 ICDAS有相同優勢，在對釉質中的非齲齒性病變和視覺變化分類中，顯示出很高的敏感性和特異性。

2 口腔疾病與全身疾病的關系

研究者通過對患者與健康對照組的口腔各類菌群進行比較，發現口腔致病菌不僅會造成齲齒、牙周病[1]等口腔疾病，還會影響呼吸系統、心血管系統、消化系統等身體系統，表明口腔疾病與全身疾病密切相關。

Carmen等[22]對慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD)患者與健康對照組進行研究，發現COPD與口腔健康存在著緊密的關系，不良的牙周健康、牙齒護理和匱乏的口腔健康知識與COPD風險增加顯著相關。在微生物研究中發現，26%的人類粥樣硬化斑塊中存在牙周致病菌[23-24]，且口腔中梭菌屬的過度免疫反應，會激活癌癥生長基因，可能會隨著時間的推移發生癌變，誘發食管癌[25]。阿爾茲海默病（Alzheimer’s disease，AD）[26]和類風濕性關節炎（rheumatoid arthritis，RA）[27]被認為與口腔中的牙齦卟啉單胞菌有緊密聯系，牙齦卟啉單胞菌在造成牙周感染后可使全身處于微炎癥狀態，通過炎癥機制促進AD的發生發展[28]；而RA患者的口腔微生物群落也發生顯著失調，當患者的RA得到治療后，這種口腔微生物群落的失調也得到了糾正，且恢復程度與治療狀況密切相關[29]。糖尿病的發生會影響口腔齦下環境，繼而影響口腔健康[30]，妊娠期間的早產率與牙周健康也有很大關系[31]，牙周健康的產婦早產率為11.2%，重度牙周炎產婦的早產率為28.6%[32]。

綜上，依賴快速檢測技術的發展，發現口腔致病菌與全身健康息息相關，因此維護口腔健康十分重要。然而由于快速檢測方法的局限性，口腔健康與全身健康的關系研究只能通過對大量對照組的比較得出，大部分研究只能發現口腔某種細菌與疾病具有一定的相關性，還不能解釋其具體的相關機制。

3 展 望

在對口腔健康與全身健康的關系研究中發現，在COPD、食管癌、糖尿病、AD、早產等疾病發生時，牙菌斑生物膜中的部分細菌與未患病時相比，數量大幅變化，導致微生態系統失衡，而當疾病轉好或治愈時，微生態系統也隨之恢復平衡狀態。因此，我們不僅可以通過對口腔生物膜中細菌的檢測，來提示身體狀況，還能通過對其他疾病的發現來修正口腔問題。但是現階段關于口腔中致病菌的研究仍舊不足，需要研究者們深入解析細菌的致病機制以及其生理功能，通過對基因的測序，了解致病菌與全身疾病的生物學關系，從而有效預防和治療疾病。

而光學在齲齒檢測中也起到舉足輕重的作用，光學方法可以做到無損、快速、精確的診斷，是未來齲齒快速檢測的發展趨勢。但是空間分辨率和實時性還需要進一步提高，才能夠廣泛地被人們接受。由于現階段的QLF技術可用于菌斑檢測，因此可以利用QLF的熒光特性檢測細菌，進而判斷疾病。在不同波長激發下，QLF技術會對某些特定細菌產生紅色熒光，在相同波長激發下，不同細菌的峰值不同，熒光強度不同，因此可以根據熒光特性判斷疾病。