光學(xué)相干斷層成像技術(shù)在齲病診斷中的研究進(jìn)展

蘇屹坤，朱炳震，伍韓雪，盧倩倩，王景云

齲病是常見病、多發(fā)病，是牙體硬組織在細(xì)菌等多種因素作用下發(fā)生的慢性進(jìn)行性破壞的感染性疾病[1]。第四次全國口腔健康流調(diào)顯示，我國12歲兒童患齲率10年來由28.9%上升至38.5%，呈明顯上升趨勢[2]。齲病會引發(fā)疼痛，咀嚼障礙，引起牙髓、根尖周疾病甚至導(dǎo)致局部或全身感染[1]。對活躍性早期齲及時進(jìn)行診斷和干預(yù)，降低治療的生物學(xué)代價顯得尤為重要[1,3-4]。臨床檢查(視診和探診)和影像學(xué)檢查(根尖X線片和牙合翼片)是臨床常規(guī)檢測和診斷齲病的方法[3,5]。臨床檢查具有主觀性，判斷標(biāo)準(zhǔn)不一，影像學(xué)檢查存在電離輻射的風(fēng)險，而且對早期齲，尤其是早期窩溝齲的診斷敏感性差[6-7]。能夠輔助診斷與治療、追蹤病變發(fā)展、無損、無創(chuàng)、敏感性高的齲病量化檢查技術(shù)是非常有必要的。

光學(xué)相干斷層成像(optical coherence tomography，OCT)是Huang等于1991年首次提出的一種無創(chuàng)、無輻射的獲得生物結(jié)構(gòu)高分辨率圖像的技術(shù)[8-9]。OCT已廣泛應(yīng)用于眼科[10-11]、皮膚科[12-13]、心血管科[14-15]等疾病診療過程。1998年，Colston等[16]首次將OCT技術(shù)應(yīng)用于口腔領(lǐng)域，他們設(shè)計的裝置可以掃描到3 mm深的牙體硬組織以及1.5 mm深的軟組織。同年，F(xiàn)eldchtein等[17]首次嘗試將OCT應(yīng)用于診斷牙體軟硬組織病變。隨著計算機、電子、圖像處理分析等技術(shù)快速進(jìn)步，OCT的成像速度、靈敏度和分辨率得到了迅速發(fā)展。OCT對于口腔軟硬組織疾病診斷與監(jiān)測有著良好的前景[6,18-21]。本文就OCT技術(shù)在齲病診斷中的研究進(jìn)展作一綜述。

1 OCT分類及其檢測原理

1.1 時域OCT

常規(guī)OCT屬時域OCT(time-domain OCT，TD-OCT)，其原理類似于超聲檢查，但使用光波回波信號而非聲波回波，OCT原理是將光波分束照射樣本臂和參考臂，樣本光檢測樣品組織，生物組織和參考臂對入射的低相干光的背向散射信號在邁克爾遜干涉儀內(nèi)發(fā)生干涉，由探測器記錄生成A-scan(深度)和B-scan(橫截面圖像)，或創(chuàng)建三維(3D)圖像以顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)[16,20,22-23]。光源、成像透鏡和檢測單元的特性會影響OCT成像的深度、分辨率、視野和對比度[23]。更長波長的光源通常可以提供更深的成像深度[23]。高數(shù)值孔徑成像透鏡提供了更好的軸向分辨率和對比度，但景深較淺，視野較小，在口內(nèi)應(yīng)用受限于受試者微小運動引起的失焦[23]。大多數(shù)口腔OCT使用波長1 300 nm左右工作光源和低數(shù)值孔徑成像透鏡，這種條件下，OCT圖像深2 mm，軸向分辨率10 μm，可以實現(xiàn)高分辨率牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)組織微觀結(jié)構(gòu)成像[23]。

1.2 傅里葉域OCT

傅里葉域OCT(Fourier-domain OCT，F(xiàn)D-OCT)，可通過將生物組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的干涉光譜經(jīng)傅里葉變換獲取信息，它分為掃頻OCT(swept-source OCT，SS-OCT)和譜域OCT(spectral domain OCT，SD-OCT)。SS-OCT采用窄帶高速可調(diào)諧激光光源，探測器為簡單的二極管，通過快速掃描寬波長范圍獲取組織內(nèi)部頻譜，在每個波長處順序測量干涉圖案[23-24]。SD-OCT采用超寬帶光源、分光計和線性掃描相機實現(xiàn)對干涉譜各分量的軸向深度掃描測量[6,23]。FD-OCT具有高成像速度、高相位穩(wěn)定性和高信噪比的特點[20,25]。

1.3 功能OCT

OCT還能將干涉信號中的偏振等信息進(jìn)行功能成像。健康釉質(zhì)是雙折射材料，可改變光在其中傳播的偏振狀態(tài)，傳統(tǒng)OCT可能出現(xiàn)雙折射條帶偽影[23]。偏振敏感OCT(polarization sensitive OCT，PS-OCT)入射光為線性偏振光，分別收集兩個正交極化狀態(tài)，然后將其組合以生成沒有條帶偽影的圖像，從而提供釉質(zhì)組織的真實結(jié)構(gòu)[23]。交叉極化OCT(cross-polarization OCT，CP-OCT)是在SS-OCT的基礎(chǔ)上采用交叉極化模式檢測，可以將牙齒表面的反射率降低20～30 dB，從而避免高反射的牙齒表面掩蓋下方的牙齒結(jié)構(gòu)，提高信噪比和對比度[20,26-27]。

2 OCT齲病檢測原理

2.1 健康牙體組織OCT圖像

牙冠硬組織由牙釉質(zhì)組成外部，內(nèi)部與牙本質(zhì)相連，連接界面稱為釉牙本質(zhì)界(enamel-dentinal junction，EDJ)。健康釉質(zhì)在近紅外光波段1 310 nm左右的波長范圍內(nèi)幾近透明，OCT檢測軸向成像深度明顯提高，可以捕獲完整的釉質(zhì)厚度和1～2 mm深的牙本質(zhì)[28]。EDJ呈現(xiàn)為一條暗帶，在OCT圖像上容易區(qū)分牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)(圖1)[25,28-29]。

圖1 SS-OCT對前牙進(jìn)行實時橫斷面成像 [28]Fig.1 Real-time cross-sectional imaging was performed for the anterior tooth using SS-OCT [28]

2.2 齲病OCT圖像

OCT檢測中，齲病和正常組織的區(qū)別在于脫礦組織微孔隙增加引起的背向散射增加和脫礦組織對入射光的去極化[20,28]。硬組織脫礦引起牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)孔隙度增大，微孔中微界面的局部反射差異引起反射增高，增加的背向散射在灰色圖像中表現(xiàn)為白色亮區(qū)[28-29]。齲病侵及的EDJ可出現(xiàn)反射增強的亮線，表明該處牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)受病變累及導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂解，出現(xiàn)微間隙(圖2)[29-30]。近紅外光波段1 310 nm波長處，脫礦釉質(zhì)光散射強度與健康釉質(zhì)相差10～20倍，對比度高，因此OCT可以在脫礦早期區(qū)分病變組織[20]。

窩溝處的釉質(zhì)脫礦表現(xiàn)為釉質(zhì)深度內(nèi)亮度增加(箭頭1)，沿著EDJ擴(kuò)展的病變成像為一條亮線(箭頭2)

2.3 OCT齲病檢測的量化分析

丁江峰等[31]使用FD-OCT對牙本質(zhì)齲進(jìn)行檢測，通過改良canny邊緣提取法，計算測量位點的折射系數(shù)，高分辨率顯微CT (micro-CT)檢測礦化密度的改變，認(rèn)為齲影響牙本質(zhì)礦化密度測量值與折射系數(shù)間存在顯著正相關(guān)性(r=0.78)。牙體組織光學(xué)特性改變和脫礦的相關(guān)性有可能定性和定量檢測齲病范圍和嚴(yán)重程度[31-32]。很多學(xué)者試圖開發(fā)數(shù)學(xué)算法自動快速準(zhǔn)確地測出齲病邊緣[33-34]，Chan等[33]使用CP-OCT獲得口內(nèi)平滑面釉質(zhì)的交叉極化圖像，通過整合正交軸或交叉極化圖像的反射率來量化脫礦的嚴(yán)重程度，通過識別每個A-scan低于半峰寬閾值的第一個像素來將CP-OCT圖像轉(zhuǎn)變?yōu)椴∽兩疃?。近年來，還有學(xué)者將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用在OCT圖像分析領(lǐng)域，將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和OCT成像相結(jié)合，提取不同組織密度的牙齒OCT圖像的特征，以更準(zhǔn)確地識別病變組織[35-36]。

3 OCT應(yīng)用于齲病診斷

3.1 平滑面齲

齲齒通常始于牙釉質(zhì)表面及其下方，牙齒的晶體礦物結(jié)構(gòu)在細(xì)菌代謝產(chǎn)生的有機酸作用下脫礦[1]。Tsai等[37]在體外通過37%磷酸酸蝕離體牙120 s模擬早期釉質(zhì)脫礦， SD-OCT檢測后，計算其平均散射系數(shù)由4.60 mm-1增加到了8.46 mm-1(P<0.001)。Park等[29]的體內(nèi)試驗中使用SS-OCT檢測，將通過國際齲齒檢測和評估系統(tǒng)(ICDAS)判斷為完好釉質(zhì)的50%檢測位點診斷為早期齲，體外評估OCT和組織學(xué)檢查對人離體牙平滑面齲的診斷結(jié)果，兩種方法之間觀察到中度顯著一致性(κ=0.54)，OCT可以作為平滑面齲視診檢查的補充，幫助判斷病變程度。Vaswani等[38]在體外比較了PS-OCT和X線片檢測齲病的敏感性和特異性， OCT的敏感性和特異性分別為0.90和0.69，高于X線的0.40和0.63，與組織學(xué)檢查相比相關(guān)系數(shù)為0.68，呈相關(guān)度較好的正相關(guān)，AUC為0.80(95%CI=0.704～0.870),PS-OCT檢查從脫礦和再礦化的角度評估早期齲損，辨別病變活動性，對決定是否采取再礦化治療十分有意義[38]。

3.2 窩溝齲

Shimada等[28]使用離體牙進(jìn)行窩溝齲的診斷試驗，SS-OCT敏感性(0.98)與特異性(0.75)高于視診(0.80、0.69)，一些視診看來剛有脫礦的病變實際上已經(jīng)接近EDJ，而且牙齒單純著色幾乎不吸收近紅外光[6]，所以 OCT檢查受窩溝著色影響小，對齲病的檢測干擾小、準(zhǔn)確性高。Luong等[39]的體外研究顯示和X線檢測相比(0.87)，SS-OCT具有更好的敏感性(0.95)，和較高的Az值， OCT在檢查窩溝齲有良好性能。Zain等[40]評估了SS-OCT和偏振光顯微鏡診斷人前磨牙早期窩溝齲的一致性，OCT敏感性為0.98，特異性0.95，對于窩溝入口以上(寬度>200 μm)，OCT進(jìn)行病變深度測量與偏振光顯微鏡一致，但在窩溝入口以下(寬度<200 μm)，OCT病變軸向深度測量平均值比偏振光顯微鏡小0.57 mm，并且與病變大小呈線性關(guān)系，這可能是由于復(fù)雜的窩溝結(jié)構(gòu)增加了反射，并有可能導(dǎo)致對病變嚴(yán)重程度的估計不足。Simon等[41]使用了CP-OCT在體內(nèi)對窩溝齲進(jìn)行檢測，認(rèn)為與X線片相比，敏感度提高了50%以上。功能性O(shè)CT能否在深窩溝處獲得準(zhǔn)確的病變深度仍需進(jìn)一步研究。

3.3 鄰面齲

Erdelyi等[42]將SS-OCT和X線檢查牙體組織效能進(jìn)行對比，并使用Romexis Viewer圖像軟件進(jìn)行評估分析，X線片上僅能觀察到的第三磨牙近中鄰面齲，在OCT中可以量化測量齲損深度，顯示出優(yōu)越的分辨率和對比度。Golde等[43]使用PS-OCT結(jié)合DOPU算法通過脫礦組織的去極化對比度來檢測鄰面齲，提高了對比度，能夠更好界定齲病邊界。Ei等[44]使用SS-OCT評估拔除前磨牙的鄰面早期齲和微裂紋，認(rèn)為牙釉質(zhì)微裂紋的發(fā)生率與脫礦有關(guān)，這種微裂紋可能是鄰面磨損和齲病進(jìn)展的誘發(fā)因素。Xing等[26]在體外使用離體牙模擬牙列，使用CP-OCT從咬合面及水平面檢測牙齒鄰面齲，其中咬合面入路敏感性0.81，特異性1.00，Az值0.90，與水平面相比是更好的檢測分析平面。Shimada等[30]使用SS-OCT從咬合面檢測牙本質(zhì)齲的敏感性(0.85)、特異性(0.97)高于X線(0.45、0.91)。AUC(0.94)與組織學(xué)檢查的一致性(0.73)也高于X線(0.75、0.38)。OCT的診斷準(zhǔn)確性高于X線片，為在三維圖像上檢測鄰面齲提供了機會，從而克服傳統(tǒng)二維方法的局限性。

3.4 繼發(fā)齲

復(fù)合樹脂粘接修復(fù)是最常用的齲病修復(fù)方式，牙體與復(fù)合材料之間密合性喪失，將產(chǎn)生微間隙，產(chǎn)生繼發(fā)齲乃至修復(fù)失敗[45]。復(fù)合材料散射OCT信號，在SS-OCT圖像上呈白色。由于缺陷邊界處的光折射，間隙的形成導(dǎo)致后向散射信號的信號強度分布出現(xiàn)峰值，在灰度圖像中顯示為明亮的簇，OCT可以檢測出粘接間隙，監(jiān)測間隙進(jìn)展和定量界面間隙[46-47]。而修復(fù)體下方的牙本質(zhì)呈黑色，可以明顯區(qū)分開來[48]。Schneider等[6]通過口內(nèi)SD-OCT成像可以看到復(fù)合樹脂中存在氣泡、增量線和各種不規(guī)則精細(xì)結(jié)構(gòu)，以及邊緣約7 μm的粘接劑分布不均勻，這些危險因素會增加繼發(fā)齲的發(fā)生概率。Zhou等[46]在體外使用SS-OCT可以檢測到樹脂-牙本質(zhì)粘接界面早期降解，在OCT圖像中脫粘間隙呈亮簇狀，脫礦的牙本質(zhì)表現(xiàn)為刃狀暗區(qū)和明亮的散在線，OCT結(jié)果和激光共聚焦顯微鏡結(jié)果顯著相關(guān)(r=0.85)[46]。

4 展 望

OCT圖像分辨率和輻射安全性明顯優(yōu)于X線片，能用于孕婦及幼兒[41]，是一種有較高敏感性、特異性的齲病檢測方法[3,41]，可作為臨床輔助工具支持常規(guī)檢測手段和鑒別可疑病例。齲病檢測評估系統(tǒng)與OCT相結(jié)合，有望提高齲病檢測和評估的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，從而有效和更精確地調(diào)整治療策略[29]。治療引導(dǎo)減少并發(fā)癥和操作時間，監(jiān)測治療結(jié)果及病變發(fā)展，椅旁實時成像有利于醫(yī)患之間的溝通。OCT探測深度、視場、圖像信噪比和可靠性的提高，以及手持式口腔OCT設(shè)備開發(fā)和齲病定量檢測算法將是今后研發(fā)的重點[26,47]。