光聲成像技術在口腔醫學中的應用

于愛琳

(煙臺文化旅游職業學院,山東 煙臺 264035)

光聲成像技術(photo acoustic imaging,PAI)是生物醫學影像研究中的重要發展方向[1],原理是選取適當的脈沖激光(納秒級脈寬)作用于有機體,使其吸收光能,經加熱膨脹形成加壓,從而形成一種寬頻帶的超聲波信號,即光聲信號。口腔頜面影像種類繁多,如根尖片、全景片、X射線 CT、口腔錐形束CT等及以軟組織為主要特征的超聲、MRI等都得到了廣泛應用。牙根尖部及全面部兩種片子均為2D圖像,可反映患者牙齒形態,對口腔疾病的早期篩查有一定的價值[2]。但其具有較強的信息丟失及圖像畸變等特點,而PAI可與傳統的臨床影像方法互補,故需分析其在口腔醫學中的應用機制,為口腔臨床治療提供指導。

1 光聲成像技術種類與應用

在生物醫學的光聲成像技術方面,光學相干斷層掃描(OCT)、雙光子成像技術等可實現淺層高分辨率成像,而DOT則可實現厘米級、毫米級的低分辨率成像。盡管醫學超聲成像具有更高的成像分辨率,但由于聲阻抗的差異,在對微小病灶(如早期腫瘤)的成像中其反差(襯度)遠遠小于光學成像。光聲成像能將超聲成像的大深度、高分辨率及光學襯度相結合,是一種極具發展前景的新型成像技術。幾種生物成像技術指標對比見表1。

表1 幾種生物成像技術指標對比Tab.1 Comparison of several bioimaging techniques

光聲成像技術能夠將大穿透力、高分辨率的成像特性有機融合在一起,實現多種成像模式的切換,從而得到更高質量的影像。目前,光聲成像主要有3種模式,即光聲顯微成像、光聲計算斷層成像及光聲內窺成像。光聲顯微成像、光聲內窺鏡等技術的主要研究方向是在毫米尺度下獲得微米尺度的空間分辨率。而光聲計算斷層掃描具有大范圍、高精度、高分辨率等優點,不僅能進行微觀成像,還能進行大深度成像。近幾年來,光聲成像技術在腫瘤血管生成、血紅蛋白及血氧濃度成像、乳腺癌診斷、心腦血管易損斑塊成像等方面取得了巨大的進展。

2 光聲成像技術在牙髓及牙周中的應用

2.1 在無創評估早期齲壞中的應用

臨床上的齲病檢查主要采用視診、探診及X光檢查方式。但這些檢測方法容易忽視損傷程度小及損傷發生時牙體表面完好的齲齒,檢測靈敏度及特異度均不高,無法達到早發現的目的。研究表明,OR-PAM技術可用于牙周組織齲病的早期診斷,但其在齲病發生發展中的具體作用尚不明確。Periyasamy等[3]利用1064 nm波段的AR-PAM成像技術分辨出牙周組織中的金屬填充及牙周組織損傷,為其在牙周組織損傷診斷中的應用提供了可能。Cheng等[4]介紹了一種雙重反差PACT技術,將其用于牙體的早期損傷檢測。結果表明,B型成像方式可獲得較高的成像質量,S型影像對牙體早期損害具有較強的敏感性,可為臨床提供準確、靈敏的診斷方法,為后續治療方案的選擇提供一定的指導。

2.2 在牙隱裂早期檢測中的應用

牙隱裂是在牙齒表面出現不正常的細小裂縫。由于裂痕不明顯,臨床表現復雜,故對裂痕牙的診斷及定位較困難。目前,臨床上對口腔疾病的診斷主要采用目測、探診、咬診、染色、透照、根尖片、CBCT等方法,這類診斷方式存在較高的誤診、漏診率。通過PAI對牙齒微結構的辨識能有效提高牙齒隱裂的檢出率。有學者將激光掃描技術與表面波(surface acoustic wave,SAW)技術相結合,采用光聲成像技術在牙齒離體狀態下對牙釉質光聲信號進行檢測,獲得牙釉質光聲信號[5]。實驗結果表明,利用光聲學效應可探測牙體內的隱裂面,對判斷牙體內的隱裂面具有重要意義。但PAI在口腔疾病診斷中的應用尚需結合其他影像學手段,分辨率有待進一步提升。

2.3 在牙釉質菌斑檢測中的應用

牙菌斑是在牙齒上不斷形成細菌薄膜,會對牙及牙齦造成危害。目前,臨床對于牙菌斑的診斷主要采用染色法,但無法精確地對其數量進行判斷,且沒有消除效果。Dias等[6]利用相位解析光聲技術對牙釉質上的生物膜進行分析,為建立一種可用于評價牙菌斑消毒效果的光聲檢測裝置提供了理論依據,可安全檢測并定量判斷牙菌斑。

2.4 在根管治療中的應用

根管治療是將根管內的感染物質去除,對牙髓炎、根尖炎起到根治的目的,避免拔牙后的支持骨質喪失過多,影響臉形外觀及假牙的穩定性。根管內沖洗過程中牙髓的有機及無機成分會被化學溶蝕,從而將細菌、牙髓碎片、污垢等微生物從根管內清除干凈。次氯酸鈉(NaClO)具有廣譜、無特異性抑菌作用及較強的溶解性,被廣泛應用于根管沖洗。但根管治療術后的并發癥是根管感染無法完全清除的主要原因之一,故尋找更加有效及徹底的根管沖洗方法是臨床研究熱點。

PAI對沖洗液的滲透性能及滅菌作用均有較好的效果。在根管治療過程中,光聲信號與光力學信號共同作用可在根管中形成空穴及激波,即光子誘發光聲流。與單純的激光激活相比,PIPS能最大限度地優化次氯酸鈉沖洗效果,有效緩解根管治療術后疼痛,去除主根管及狹窄部位的氫氧化鈣糊劑及根管再治療的殘留物。次氯酸鈉在PIPS中的殺菌作用主要體現在以下幾個方面：增加氯化鈉的反應速度,促進沖洗液在牙髓小管中的立體流速,激波引起細胞破裂,使污染層溶解。根管內糞腸球菌是最常見的致病菌,研究表明,PIPS對糞腸球菌的生物被膜去除更為徹底[7],故PIPS具有很好的應用前景。而PAI對根管的沖洗、根管的再處理及患者預后有較好的幫助作用。

2.5 在牙周炎中的應用

牙周炎是一種常見的口腔疾病,是一種發病率高且易復發的疾病,主要因細菌感染所致。臨床針對牙周炎的治療方式較多,傳統方法主要采用牙周探診測量牙周袋的深度,但這種測量方式受主觀因素的影響可能導致出血等,無法對整個牙周輪廓進行探測。種植體表的紋路會妨礙探頭進入,影響牙周組織評價,引起種植體周炎癥。

光聲成像技術能夠對牙周組織進行無損、準確、連續的檢測,具有重要的臨床應用價值。利用光聲成像技術,以食品墨魚墨汁為造影劑,在豬牙周炎動物模型上進行探查,發現光聲成像準確度高達0.01 mm,可實現完整的探查。PAI可作為一種輔助手段用于無創性探查,以烏賊墨汁為基礎的對比劑在人類牙周組織上做圖像處理,結果顯示,40 MHz的超聲頻率可在空間上解析牙周結構,包括牙齒、牙齦、牙齦邊緣及牙齦厚度,說明PAI可進行牙周健康無創監測。

3 光聲成像技術在口腔外科中的應用

3.1 在口腔癌篩查中的應用

口腔癌早期病灶周圍的黏膜微血管會出現明顯的形態學變化,利用合適的激光波長及光聲成像技術能夠實現對微血管的特異顯影,從而實現對口腔癌的早期篩查,特別是對腫瘤部位的定位及淋巴結轉移的檢測效果較好。LukeG P等[8-9]應用PAI技術建立了口腔癌前哨淋巴結轉移動物模型,獲取了腫瘤細胞的血氧飽和度圖像,定量分析顯示,淋巴結內的低氧信號與腫瘤的早期浸潤密切相關,為口腔癌的早期篩選及診斷提供了新思路。

3.2 口腔癌的靶向光聲成像和光熱療法

Zeng等[10]研制出了一種可同時裝載ICG及多柔比星的多功能靶向高分子納米粒,利用其在激光輻照下的熱能及相轉變后釋放的阿霉素,實現對腫瘤的雙重殺傷。研究發現,載SDF-1的PLGA納米顆粒能夠靶向TNF-KB信號通路,與光熱治療相結合,提高TNFα在TNFβ-catenin信號通路中的作用。目前已成功構建了硫化鉍棒形中空微球,實現了藥物可控釋放。

4 結束語

通過分析光聲成像技術的種類與應用,結合文獻研究,探討其在口腔醫學中的應用及優勢。該技術在我國醫學領域中的應用研究主要集中于細胞、動物及離體實驗,還無法完成對龐大數據的處理。光聲成像技術將成為未來的研究重點,為充分發揮其在口腔醫學中的應用優勢,還需大量的實驗論證,以提升我國口腔醫學發展水平。