激光诱导荧光牙结石诊断研究

胡 杰，杨 扬，秦艳利，王玉富，姚 俊

(沈阳理工大学 理学院，辽宁 沈阳 110159)

牙结石是一种黄色或褐色的微小沉积物，由硬化牙菌斑沉积而成。牙菌斑的积累能够产生牙龈炎症，从而导致牙龈损伤和破坏。要成功治疗牙周病，完全清除牙结石是关键的一步。由于龈上牙结石可以用肉眼看到，并可以轻易的定位，所以危害性相对来说比较小。然而龈下结石沉积于龈缘之下，附着在龈沟或牙周袋内的根面，肉眼观察不到，所以危害性较大，迫切需要一种灵敏的诊断方法。传统的牙结石诊断法有手工探针诊断和超声波诊断，用来评估龈下牙结石的位置和区域。手工探针诊断法灵敏度较低，并依赖于牙医师经验，缺少客观性。超声波诊断产生辐射，对人体有一定的危害。因此研究出一种新型高灵敏度的诊断方法是极其必要的［1－2］。

荧光诊断具有高灵敏度、高准确度、非接触和无损伤等优点［3］。现今人们越来越关注此诊断方法。Krause等人［4］报道了通过测量正常牙齿和牙结石反射光的差异来诊断牙结石。当用655nm半导体激光器作为激励光源时，牙结石的相对荧光强度明显不同于正常牙齿［5－6］。这些报道显示，荧光诊断技术相比于传统诊断方法在诊断上具有高度有效性，并对近期研究提供了有价值的信息。但现今的诊断方法仍有不足，主要是直接利用荧光或反射光的强度作为区别于正常牙齿的依据。相对强度很容易受诊断环境因素影响，例如诊断距离、角度等［7］。因此，很有必要进一步研究高灵敏度诊断方法。

本文主要目的是研究牙结石的荧光诊断方法。牙结石在635nm半导体激光器激发下所得牙结石的荧光强度高于655nm半导体激光器［8］，因此本文选用635nm半导体激光器作为激励光源检测并比较牙结石和正常牙齿的荧光光谱。根据其光谱特性提出一种比值诊断法作为诊断牙结石的依据。为最大限度模拟临床环境，本文同时还研究了猪肉组织对诊断结果的影响，可为临床应用提供重要的参考依据。

1 实验

1.1 样品

本研究中提取15颗有明显牙结石的牙齿和15颗正常牙齿来做比较。提取后，利用流动水轻轻用牙刷将牙齿表面清理干净，并使裸露的牙根表面和牙结石残留物都完好无损。其后，所有牙齿都保存在0.9%生理盐水里，并处于4℃的黑暗环境下，直到荧光测量时被取出。

1.2 实验系统

本实验设计图如图1所示。用波长635nm、线宽22nm红光半导体激光器(HPD7404)作为激励光源(图2)，激光光束经光纤垂直入射到表面患有结石的牙齿上，另一根光纤用来收集荧光和反射光，收集的光入射到二色向镜上，经二色向镜滤光后，再经40mm焦距的石英透镜聚焦到多模光纤(此为海洋光学光谱仪USB4000的附带光纤OFLV－200－1100)上，再经多模光纤到8nm分辨率的光谱仪(海洋光学光谱仪USB4000)上转化成信号，此信号经CCD探测器传输到电脑上。为得到高信噪比，适当调整CCD探测器的取样时间，从而获得完整光谱。样本被固定在可移动的二位平移台上，以便收集一颗牙齿上不同位置的荧光。

图1 牙结石荧光光谱诊断设计图

图2 激光光谱图

1.3 实验过程

在室温(20～25℃)并处于黑暗的实验室，利用诊断系统分别对15颗正常牙齿和15颗牙结石牙齿收集荧光，为方便比较，分别对所有的正常牙齿和牙结石牙齿的荧光光谱取平均。在临床诊断中，牙结石一般被牙龈组织所覆盖，为模拟牙齿临床诊断环境，在诊断点放上1mm厚的动物组织，收集对应的荧光。

2 结果和讨论

图3为正常牙齿和牙结石的平均荧光光谱。正常牙齿和牙结石在近663nm波段有荧光产生。但是与正常牙齿相比，牙结石有两点不同。第一，在650～730nm的波段内的荧光强度增强。第二，在635nm处反射光光强降低。由于牙结石里含有机芳族化合物卟啉，使得荧光强度在上述波段内增强。由牙菌斑和钙化的残渣形成的牙结石表面粗糙，从而使反射光强降低［9］。

图3 正常牙齿和牙结石平均荧光光谱的比较

特定波长的荧光强度极易受实验条件例如探测距离、激发光源的强度等影响［7］。利用荧光光强的不同来做诊断依据，其灵敏度较低。根据牙结石的典型特征光谱，本文提出用一种比例运算方法诊断牙结石。用牙结石参数R来评估牙结石的覆盖程度。

其中:S(618～648)为在波峰635nm为中心的宽20nm的光谱曲线的积分面积，以便避免超噪声;S(650～730)为650～730nm波段内光谱曲线的积分面积。

表1为牙齿样本R值及最佳截断阈值的灵敏度和准确度。牙结石的 R平均值为0.6778±0.2456，而正常牙齿的 R平均值为 1.6504±0.1972。正常牙齿和牙结石的在统计学上存在显著差异(P＜0.05)。R=0.9作为诊断牙结石的诊断阈值，其灵敏度达100%，准确度达93.3%。在临床诊断中，龈下牙结石被牙龈覆盖。为使激励光源安全到达龈下牙组织，诊断光纤顶端应精心设计以便可插入牙周袋。如果激励光源可透过牙龈到达龈下组织可对临床应用带来极大方便。为模拟临床环境，用动物组织来研究肌肉组织对诊断结果的影响。表1显示当样品被动物组织覆盖后，测得牙结石R值增长为0.6948±0.1016，而正常牙齿R值降低为1.1431±0.1496。R=0.9仍作为诊断牙结石的理想阈值，其灵敏度达93.3%，准确度达100%。此结果表明，以635nm的激光为激发光源，在临床诊断中将不用把光纤插入牙周袋，可直接将激发光照射在牙龈上诊断牙结石，这将给临床诊断带来极大方便。

表1 牙齿样本R值及最佳截断阈值的灵敏度和准确度

3 结论

在635nm激光的激发下，正常牙齿和牙结石在663nm处有荧光峰。与正常牙齿相比，牙结石在650～730nm的波段内荧光强度增强，并且在635nm处反射光降低。用荧光光谱面积(650～730nm)与反射光光谱面积(618～648nm)之比R来诊断牙结石，即使诊断区域用动物组织覆盖，诊断的灵敏度和准确度也高达90%。

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