牙齿漂白专用比色板的设计方法初探

徐英新

北京大学深圳医院口腔科，深圳 518036

牙齿漂白是近年来发展比较快速的治疗项目，其产品很多，对于疗效的评价方法主要有2种：一是将Vitapan Classical比色板的色标重新排序，根据治疗前后变色牙色阶数的变化评价疗效；二是用比色仪在治疗前后对变色牙测色，根据色度值的变化（ΔE）评价疗效。比色板评价法的优点是设备简单，操作容易，但由于Vitapan Classical比色板不是专为漂白而设计，其色标在色彩空间中的分布缺乏规律性，相邻色标间色差大小不同，且方向各异，并且对变色牙在色彩空间的覆盖程度偏低，很多变色牙找不到对应的色标，因此影响了效果评价的准确性。比色仪比色准确，可以精确地量化评价漂白治疗的效果，但其价格昂贵，目前主要用于科研工作，难以在医疗机构全面配备。本研究的目的是通过对进行漂白治疗的变色牙色度值的分析，探讨能否通过统计学方法，设计出牙齿漂白治疗专用的，可以科学、准确地评价疗效的比色板，为新产品的设计提供参考。

1 材料和方法

1.1 纳入本研究的变色牙

本研究纳入了2009年2月—2014年7月在北京大学深圳医院口腔科接受牙齿漂白治疗的变色牙患者67例，其中四环素牙13例，氟斑牙30例，黄牙24例。患者年龄18～53岁，平均（29.0±7.2）岁。所有病例均由同一位医生完成。

67名患者在治疗前后都拍摄了照片，其中有2名患者先后进行了2次漂白治疗，另有2名患者的术后照片由于不够清晰而被排除，因此，供进行分析的对象（照片）合计136张：四环素牙25张，氟斑牙61张，黄牙50张。

1.2 纳入标准

1）全身情况：年龄18岁以上，身体健康，非妊娠期，能耐受1～2 h的诊椅上治疗，心理健康状况正常，医患沟通良好。2）牙齿情况：前牙及前磨牙为中、轻度四环素牙、氟斑牙或黄牙，牙列完整，牙齿排列整齐，无明显牙体缺损或牙根暴露，无修复体或充填体。

1.3 漂白系统

采用Beyond冷光美白系统（普洋科技公司，美国）进行漂白治疗。其原理是将波长介于480～520 nm之间的高强度蓝光，经由光纤传导，再经过特殊光学处理，隔除一切有害的紫外线与红外线，将过氧化氢和直径为20 nm的二氧化硅等为主体的漂白剂，快速渗透到牙齿的表面及深层，与所附着的色素产生氧化还原作用，从而达到漂白的效果。

1.4 治疗过程

首先向患者交待漂白治疗的过程、原理、可能的效果，签知情同意书；然后将Vitapan Classical比色板（Vita公司，德国）的色标按照从“白”到“黑”重新排列，16块色标主要根据明度重新排列，即1～16对应B1、A1、B2、D2、A2、C1、C2、D3、A3、D4、B3、A3.5、B4、C3、A4、C4。漂白治疗前后分别比色，并用带有100 mm微距镜头和环形闪光灯的专业单反数码相机（佳能公司，日本）拍摄全牙列正面口内像。治疗时先清洁牙面去除菌斑，再使用牙龈保护剂保护牙龈，然后涂布美白凝胶，使用美白仪光照12 min，连续进行3次。

术前比色由经治医师之外的2位医师分别独立进行。有的变色牙无法找到对应色标[1]，此时比色医师可以选择“放弃”，如2位医师均选择“放弃”，请第三位医师选择Vita 3D-Master比色板的色标替代比色；如果一个“放弃”，另一个选择了对应色标，所选色标即被确定为对应色标；如果都选择了对应色标，而2位的选择不一致，则再请第三位医师裁决；如果2位的选择一致，所选即为对应色标。

术后比色在治疗结束后1周时进行，此时患者牙齿颜色比较稳定，由经治医师和术前比色医师之外的2位医师分别独立进行，必要时请第三位医师裁决。

1.5 数据分析和统计方法

1.5.1 变色牙色度值的测量 首先，建立变色牙图片库。治疗前后拍摄的全牙列正面口内像是按美国美容牙科协会的标准，每张照片同时包括上下颌前牙、前磨牙及对应比色板色标，手动模式，手动对焦，拍摄比例1︰3，光圈F22，快门速度1/200，闪光灯强度M/8，ISO200。第二步，确定标准光源下Vita比色板色标中1/3的色度值。由于厂家并未给出该值，参照文献[2-7]，去除数值最高组和最低组，取平均值，确定为色度值数据。第三步，使用Photoshop软件测量变色牙的色度值。首先使用Photoshop 7.0软件（Adobe公司，美国）打开一张拍摄的照片，选择菜单中“图像—模式—Lab颜色”调整图片为该软件的Lab颜色模式；然后选取照片中Vita比色板色标中部一点作为色标测色点，选择菜单中“图像—直方图”对该点测色；测得的结果一般都会与前面确定的标准光源下色度值存在差异，这时通过选择菜单中“图像—调整—曲线”对整张图片的亮度（L*）、红绿度（a*）、黄蓝度（b*）进行调整（图1），直到测色点的色度值与标准光源下色度值完全一致为止。此时再选取上中切牙中部一点测色（图2），即可认为测得值非常接近标准光源下该变色牙的色度值。

为减小误差，请未参与过本实验前期比色及治疗工作的另外3位医师分别独立测量漂白前后全部照片的数据，漂白前与漂白后照片测量间隔1个月，反复2遍，每张照片所得的6个测量数据去掉最大和最小值，再取平均值作为最终测量值。

需要说明的是，Photoshop软件下的Lab值与CIE（国际照明委员会）L*a*b*不同，其差异为[8]：LPhotoshop值范围：0～255；aPhotoshop值范围：0～255；bPhotoshop值范围：0～255。L*CIE值范围：0～100；a*CIE值范围：-120～120；b*CIE值范围：-120～120。在图片分析时，需将Vita比色板色标的CIE L*a*b*转化Photoshop软件下的Lab；测得Photoshop软件下变色牙的Lab后，根据推导转化公式[8]还要再转化为CIE L*a*b*。

1.5.2 比色板的设计 通过对变色牙色度值的分析，用统计学方法设计比色板。本研究设计的比色板色标在色彩空间中沿着穿过变色牙所在区域中心，与亮度轴平行的一条直线排列，这些色标对应的a*、b*值分别是变色牙a*、b*值的均值，不同色标对应不同的L*值。采用SPSS 19.0软件通过对变色牙的L*值进行系统聚类分析来确定色标的L*值。

图1 调整图片的Lab值Fig 1 Adjust Lab of pictures

图2 测量变色牙Lab值Fig 2 Measure Lab values of discolored teeth

具体过程是：首先输入数据，包括“患者编号”，“L*值”，然后选择“分析—分类—系统聚类”，“变量”为“L*值”，“个案”为“患者编号”，按照“个案”分群，“最小聚类数”设为2类，“最大聚类数”可以根据个案数设定，甚至可以每个个案自成一类，“聚类方法”为“Ward法（最小方差法）”，“度量区间”为“平方Euclidean距离”，“转换值”按“个案”进行“Z得分”标准化。

1.5.3 设计出的比色板色标与变色牙间色差的评价计算每块色标与其对应的变色牙间的色差值的大小判断颜色的接近程度，计算公式为：ΔL*=L*变色牙－L*色标；Δa*=a*变色牙－a*色标；Δb*=b*变色牙－b*色标。色差值ΔE=（ΔL*2+Δa*2+Δb*2）1/2。

a*色标及b*色标值为变色牙a*及b*的均值，L*色标则为聚类后，每组中各变色牙L*值的均值。通过这一公式不但能计算变色牙与本研究设计的比色板色标间的色差值，还能够计算变色牙与Vitapan Classical比色板色标间的色差值，前期研究[1]中也进行过统计分析，两者间可以进行比较。

1.6 统计学分析

采用SPSS 19.0软件对实验结果进行分析，对3种变色牙的L*值及b*值，采用Kruskal-Wallis秩和检验进行分析；对a*值，采用单因素方差分析（oneway ANOVA）进行分析，检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 Vita比色板的色度值

通过资料分析确定标准光源下Vita比色板色标中1/3的色度值。

2.2 3种变色牙的色度值

3种变色牙的色度值见表1。

表1 3种变色牙的色度值Tab 1 Color values of three kinds of discolored teeth

2.2.1 L*的比较 3组间L*值比较差异有统计学意义（H=21.188，P=0.000）。进一步比较，四环素牙与氟斑牙（χ2=－3.140，P=0.002）、黄牙与氟斑牙（χ2=4.267，P=0.000）间差异有统计学意义，氟斑牙亮度偏高；四环素牙与黄牙间比较差异无统计学意义（χ2=0.275，P=0.784）。

2.2.2 a*的比较 3组间a*值比较差异有统计学意义（F=4.215，P=0.017）。进一步比较，四环素牙与黄牙间差异有统计学意义，四环素牙偏红。

2.2.3 b*的比较 3组间b*比较差异无统计学意义（H=0.445，P=0.800）。

2.3 比色板的设计

2.3.1 四环素牙比色板的设计 Vitapan Classical比色板共计16块色标，四环素牙一般对应C及D组7块色标。为了临床使用方便，设计的四环素牙比色板色标数确定为5～7块，对四环素牙的L*值进行了5～7聚类。5聚类时，25例四环素牙被分为5组，每组四环素牙的L*值取平均值，代表该组的四环素牙比色板色标的L*值（表2），6聚类、7聚类同理。全部色标的a*值及b*值固定为全部四环素牙a*值及b*值的均数（4.8和13.0）。5～7聚类时，色标与其对应的四环素牙间平均色差均为5.0±2.4（表2）。聚类分析时设定的最大聚类数为个案数，此时变色牙与色标间ΔL*为0，ΔE达到理论上的最小值，为4.9±2.4。5～7聚类时的ΔE都非常接近最小值。

2.3.2 氟斑牙比色板的设计 与四环素牙相同，氟斑牙也固定了a*、b*值，分别为3.8、14.5；对L*值也进行了5～7聚类，并分别计算了色标与氟斑牙间的色差值（表3）。ΔE可能达到的最小值为5.4±5.2，5～7聚类时的ΔE与之非常接近。

2.3.3 黄牙比色板的设计 设计思路与四环素牙和氟斑牙相同，a*、b*值分别为3.0、13.8，L*值的5～7聚类结果见表4，ΔE可能达到的最小值为3.4±2.0，也与5～7聚类时的ΔE非常接近。

表2 四环素牙L＊值的5～7聚类及色标与变色牙色差值Tab 2 5-7 clusters of L＊ values of tetracycline teeth and color difference between shade tabs and discolored teeth

表3 氟斑牙L＊值的5～7聚类及色标与变色牙色差值Tab 3 5-7 clusters of L＊ values of mottled-enamel teeth and color difference between shade tabs and discolored teeth

表4 黄牙L＊值的5～7聚类及色标与变色牙色差值Tab 4 5-7 clusters of L＊ values of yellow teeth and color difference between shade tabs and discolored teeth

3 讨论

本研究首先对接受漂白治疗的变色牙进行了分类。四环素牙、氟斑牙是由于四环素的不当使用及摄氟量超标造成；而黄牙泛指除前二者外，对自身牙齿颜色不满意要求漂白的患者：有的是饱和度高，有的是亮度低，有的颜色完全正常，甚至是比较白的；病因有的是由于釉质透明度高，有的是由于牙齿磨损釉质变薄，有的牙齿天生偏黄，有的接受了长时间的正畸治疗导致色素的深层渗透，用喷砂、抛光等方法都不能去除，由于其主色调均为黄色调，将其归为一类。

通过对Vitapan Classical比色板色标的重新排列对牙齿漂白的效果进行评价，是一种在临床中广泛应用的评价方法，但已经有多项研究认为其评价准确性欠佳。笔者研究发现：64%的四环素牙和28%的氟斑牙在该比色板中找不到对应色标，只有黄牙全部能找到对应色标；能找到对应色标的四环素牙、氟斑牙及黄牙与Vitapan Classical比色板色标的色差（ΔE）分别为12.33±3.80、5.72±2.20、4.93±1.55[1]。美国牙科协会规定：2.0是比色板与牙齿间色差的容忍值[9]，在临床实践中，2.0的色差值很难达到。有研究[10]发现在口腔环境中，比色板色标与牙齿间的平均色差达3.7。3种变色牙与Vitapan Classical比色板色标的色差值不仅高于2.0的标准，也高于临床实践中一般牙齿比色的色差值3.7，确实存在比色不准的问题。同时，该比色板的色标在色彩空间中分布散乱，间距不等，位置各异，没有规律[11]，因此，其对漂白效果的评价结果难以科学、准确地解读。牙齿漂白的效果主要体现在L*的提高，同时伴随饱和度的降低，用比色仪对色标进行的测色研究[3]和医生们对无标记的色标从“白”到“黑”排序的研究[12]发现：即使色标重排后，其色标也不是严格的从“白”到“黑”，这更降低了其评价效能。

由于比色仪价格昂贵，难以在医疗机构中广泛使用，笔者认为有必要重新设计比色板。设计要求是：1）其色标在色彩空间中的分布有规律；2）漂白前后比色结果间的比较有清楚、准确的科学意义；3）色标与对应的变色牙间色差值尽量小。漂白主要通过提高变色牙的亮度使变色牙显得更白，比色板按照L*对色标进行排序是最合理的设计[13]。为了满足以上3个设计要求，笔者的设计思路是：1）色标值在色彩空间中沿一条直线排列；2）固定色标的a*、b*值，色标的变化即L*的变化。通过这两条可以实现第一、第二项设计要求。为了实现第三条设计要求，选择对L*值进行系统聚类分析来使变色牙与对应色标间ΔE尽量小。

在进行具体设计之前，先要获得标准光源下变色牙的色度值数据。如果有可靠的比色仪，用比色仪直接测色是比较好的选择，在没有比色仪的情况下，按照笔者的实验方法也是可行的。在漂白前后都拍摄了照片，每张照片既有变色牙，也有对应的Vita比色板色标，色标就成为变色牙颜色的参照物。首先用Photoshop软件测量Vita色标的色度值，与已经掌握的标准光源下Vita色标的色度值对比，继而调整整张照片的亮度、红绿度及黄蓝度，直至照片上Vita色标的色度值与标准光源下该色标的色度值相同，此时再测量变色牙的色度值。虽然由于色标与变色牙在拍照时位置的差异可能带来曝光量的差异而影响了二者间的可比性，但可以认为通过这种调整测得的变色牙色度值数据已经非常接近标准光源条件下的色度值了。

测色的位点是牙体中1/3处，因为切端半透明性较高，亮度高而饱和度低，颈部釉质薄，亮度低而饱和度高，牙体中部的色度值能更好地体现牙齿整体颜色，比色板也选取同样位点进行对比。由于采用环形闪光灯补光，常在牙体正中形成反光点或带，选取位点时要注意避开。

首先分别计算了四环素牙、氟斑牙和黄牙的L*、a*及b*，发现四环素牙的颜色偏红，氟斑牙的亮度比较高，在临床实践中，也可感到这3种变色牙的颜色各有特点，因此，笔者为每种变色牙分别设计了比色板。每块比色板的色标都有相同的a*、b*值，即每种变色牙a*、b*值的均值。

为实现合理的L*值的设计，采用了系统聚类分析法建立数学模型：首先，所有变色牙之间的ΔL*都通过软件进行计算；然后，L*最为接近的两两一组分组（最小差值原则），称为二元素类，重复上述过程，建立更大的类；最后，所有的对象（变色牙）就归入一个巨类，为一个树状分布图，分的类越多，就越接近树的末梢，分的类越少，就越接近树的主干。树状模型建立以后，还应该考虑对于一个特定人群，多少类是合适的（多少色标是合适的），方法是：观察数据自然分类如何；根据实践经验，人为确定分类数量。通过对已有比色板的分析，认为新设计的三块比色板各有5～7块色标是合适的。

按照这一思路设计的比色板，相较现有的用于漂白疗效评价的Vitapan Classical比色板色标排列更加有规律，由于漂白前后色阶数的变化对应的是亮度值的变化，因此对疗效的评价更加准确和科学。但其颜色与变色牙的颜色是否更加接近呢？笔者发现，按照这种方法设计的比色板，色标与对应变色牙间的ΔE都超过了2.0，四环素牙与氟斑牙都超过了3.7，还是不够理想，但与Vitapan Classical比色板相比，显然颜色匹配性更好[1]。必须指出的是，通过对已有变色牙色度值的分析设计出比色板，再与已有变色牙间进行色差值计算，这可能会使算得的ΔE较真实值偏小。更为准确的方法是选择一组新的临床病例，把虚拟设计出的比色板实体化，用于漂白前后比色，再计算色标与变色牙间的色差值，这样就能得到ΔE的真实值，将在今后的研究中进一步探索。当然，也有办法使ΔE小于2.0，甚至更小，这就是将L*、a*、b*同时聚类，如果设计的比色板是为特定人群的修复体制作而设计，这种聚类方法就会得到非常理想的比色板，但由于是为漂白效果的评价而设计，还要更多地考虑色标排列的规律性和结果解读的科学性、准确性，这就不得不部分牺牲色标与变色牙间颜色的匹配性。

本研究存在以下不足：1）由于漂白治疗是近年来才在国内大范围开展，选择病例比较慎重，尤其注意通过医患交流观察患者的心理状况，因此病例总数偏少，即使全部病例也不超过百例，难以按照统计学方法抽样，可能影响数据的代表性，本文的意义更主要在于使用系统聚类分析法这一理想模型来实现比色板的个性化和精准化，为牙齿漂白专用比色板的设计提供了一个新的研究方向；2）任何一个新的方法需要反复实践证明，本研究的设计方案和研究结果还有待进一步完善，如Photoshop软件测量变色牙色度值的手动调整等关键研究步骤是根据该软件的功能做出的设计，其准确性还有待进一步研究的检验。

通过本项研究，认为：目前采用Vitapan Classical比色板色标重新排列来评价牙齿漂白疗效的方法是可以改进的，改进的方法之一是设计牙齿漂白专用比色板；设计的新比色板色标排列要有规律，能清楚而准确地阐释漂白的疗效，并与变色牙的颜色匹配；系统聚类分析法是一种可以用来辅助设计这种比色板的方法；要准确地判断设计出的比色板实际效果如何，还需将设计实体化，在临床实践中检验。

[1]徐英新. 变色牙与Vitapan Classical比色板色标的色差分析[J]. 华西口腔医学杂志, 2015, 33(4):388-392.

[2]Lee YK, Yu B, Lim HN. Lightness, chroma, and hue distributions of a shade guide as measured by a spectroradiometer[J]. J Prosthet Dent, 2010, 104(3):173-181.

[3]Paravina RD, Johnston WM, Powers JM. New shade guide for evaluation of tooth whitening-colorimetric study[J]. J Esthet Restor Dent, 2007, 19(5):276-283.

[4]Analoui M, Papkosta E, Cochran M, et al. Designing visually optimal shade guides[J]. J Prosthet Dent, 2004, 92(4):371-376.

[5]Ahn JS, Lee YK. Color distribution of a shade guide in the value, chroma, and hue scale[J]. J Prosthet Dent, 2008, 100(1):18-28.

[6]Bayindir F, Kuo S, Johnston WM, et al. Coverage error of three conceptually different shade guide systems to vital unrestored dentition[J]. J Prosthet Dent, 2007, 98(3):175-185.

[7]王成龙, 刘佼佼, 苏东华, 等. Vita比色板各色片间色差及意义[J]. 口腔医学, 2012, 32(4):220-222.

[8]Bengel WM. Digital photography and the assessment of therapeutic results after bleaching procedures[J]. J Esthet Restor Dent, 2003, 15(Suppl 1):S21-S32.

[9]Wozniak WT. Proposed guidelines for the acceptance program for dental shade guides[S]. Chicago: American Dental Association, 1987:1-2.

[10]Johnston WM, Kao EC. Assessment of appearance match by visual observation and clinical colorimetry[J]. J Dent Res, 1989, 68(5):819-822.

[11]Browning WD. Use of shade guides for color measurement in tooth-bleaching studies[J]. J Esthet Restor Dent, 2003,15(Suppl 1):S13-S20.

[12]Paravina RD. New shade guide for tooth whitening monitoring: visual assessment[J]. J Prosthet Dent, 2008, 99(3):178-184.

[13]Paravina RD, Powers JM. Esthetic Color Training in Dentistry[M]. St. Louis, MO: Elsevier-Mosby, 2004:136-140.