智能龋齿侦察仪的研究及应用

王成，杨梅，陆雨菲，方丽萍，陈鹏，周成，蔡青

1.上海理工大学 医疗器械与食品学院 生物医学光学与视光学研究所，上海 200093；2.厦门罗雅光科技有限公司，福建 厦门 361008

引言

牙齿健康已被世界卫生组织列为人体健康的十大标准之一，研究表明，龋病已成为继心、脑血管疾病和癌症之后的第三大非传染性疾病，也越来越多的引起人们的重视。根据第三次全国口腔健康流行病学抽样结果，中国口腔健康形势十分严峻[1]：5岁儿童乳牙龋病发病率已经达到66%，35～44岁的中年人龋齿患病率超过了88%。一方面“有洞为龋”的传统观念造成了人们对龋病早期预防的忽视，另一方面早期龋、隐匿性龋没有显著的临床表现，一旦发生不适症状，常引起牙髓炎、根尖炎，伴随感染、肿痛、牙齿缺失等口腔疾病[2]。重度龋病会成为与全身系统性疾病相关的感染灶，比如类风湿性关节炎和风湿性心脏病等[3]。

传统的龋齿检测方法主要包括视诊、探诊和X光片等。视诊作为一种龋齿检测手段，因为过分依赖于口腔医生的视力和经验，从而导致主观性过强，容易引起误诊[4]。探诊是通过尖锐物体触压牙釉质表面，并且根据探入深度判断龋损程度。该检测方式直接将外力作用于牙齿硬组织，可能导致牙釉质的不可修复性破坏[5]。X光片是一种客观灵敏的龋齿检测手段，但被检查者会处在射线的辐射中，不适合长期多次检测[6-7]。目前在龋齿诊断方面，光学方法是应用较广的方法。因其具有无损、客观、可视、定量等优势，而受到广大研究人员的关注[8]。利用光学技术发展的多种无损龋齿检测方式主要包括3类[9]：① 基于牙齿自体荧光效应的激光龋齿检测仪；② 基于散射效应的数字成像光纤透射术和定量光导荧光技术；③ 基于牙齿双折射效应的偏振敏感光学相干层析术和偏振拉曼光谱技术等。综合考虑到诊断方法的实施手段、可靠性及成本等问题，荧光技术是公认的最有前景的早期龋病诊断技术[10]。

本研究基于牙齿自体荧光效应和“互联网+医疗”的创新理念，集传感、数据无线传输和互联网概念，利用405 nm紫外光激发牙齿的自体荧光，经成像系统成像后，通过无线传输系统将牙齿检查图像传输到手机伢侦探APP（用户端APP）上显示，医生通过伢侦探APP（医生端APP）远程看诊，通过电子检查单的形式给出具体的诊断和治疗的建议，反馈给用户，实现龋齿诊断。

1 龋齿的荧光特点

1.1 龋齿的早期病理表现

牙釉质和牙本质主要由有机物和无机物（羟基磷灰石）构成[11]，正常情况下牙釉质处在脱矿与再矿化的动态平衡中。当口腔中的细菌与唾液中的糖类及食物残渣结合时，它们会附着在牙齿的表面或凹坑、裂缝上形成菌斑。研究表明，致龋菌斑的主要分泌物有酸性物质变异链球菌和乳酸杆菌，这些细菌会造成牙釉质再矿化的速度小于脱矿的速度。当再矿化的速度不断降低，原有的动态平衡逐渐被破坏，矿物质流失导致牙釉质疏松多孔，因此牙釉质脱矿是龋齿的早期病理表现。

1.2 牙齿荧光光谱的差异性

牙釉质和牙本质由于含有有机质，在紫外光激发下会产生自体荧光[12]。各部分物质不同的构成比例会造成所产生的荧光光谱的差异性，例如在紫外光激发下，有机物构成比例相对小的牙釉质呈现绿色，而有机物构成比例大的牙本质则呈黄色。龋病相关微生物、牙菌斑、牙本质、牙釉质以及其他牙齿内组织都可以被激发出荧光，但各自的荧光特性不同。

激光诱导荧光光谱可分为外源性荧光和自体荧光两种：前者在待测生物体内添加外源性荧光物质，然后根据激光诱导产生特征性的荧光来诊断；后直接通过激光诱导生物组织产生自体荧光。自体荧光的光谱特性主要取决于生物组织的光学特性（辐射、反射、吸收及各向异性等）[13-14]。由于生化组成成分和形态结构的差异性，不同组织各自具有独特的光学特性和光谱特征[14]。在同样条件的激发光诱导下，正常组织和病变组织产生的自体荧光光谱明显不同，因此可以利用荧光光谱差异性来区分正常组织和病变组织，实现“光学活检”[10,15]。

1.3 在4 0 5 n m激发光下牙齿的荧光特性

现有研究指出，在405 nm光源激发下成熟的牙菌斑会产生红色自体荧光，覆有牙菌斑和牙结石的牙齿表面同样会产生红色的自体荧光，活跃性龋损组织也可产生红色自体荧光，即波峰在630 nm左右的发射光谱[10]。细菌的特异性代谢产物卟啉物质特别是原卟啉，是公认的红色荧光的主要贡献者[15-16]。

在405 nm光激发下，作为牙齿无机矿物组织的固有荧光分布的羟磷灰石粉，其荧光光谱最大峰值位于约460 nm处，荧光分布，见图1a；牙菌斑其荧光光谱最大峰值位于约630 nm处，荧光分布，见图1b[17]。

图1 在405 nm光导荧光下牙齿无机矿物质组织及牙菌斑荧光光谱图

通过文献记载实验，对35颗牙齿样本进行自体荧光光谱测量，其中8颗为正常的健康牙齿，14颗浅龋，9颗中龋，4颗深龋。不同龋损的牙齿样本的荧光光谱结果，见图2[17]。

从实验结果可以看出，在405 nm光导荧光激发下，健康牙釉质和牙本质的荧光峰值在480 nm左右，荧光分布，见图2a。从图中可以明显看出，牙本质的荧光光谱相比牙釉质更偏向红波段，因此，牙体硬组织无机物的荧光主要分布在440～520 nm之间。不同龋损程度牙齿样本的典型光导荧光光谱，见图2b～d。龋损组织均呈现两个波峰：第一个波峰处于460～500 nm之间，其峰位值与健康牙组织、牙本质、牙釉质及羟基磷灰石的峰位值相同，所以该区域自体荧光的主要贡献者是牙体硬组织[9]；第二个波峰在600～700 nm之间，和牙菌斑的最强峰的位置一致，所以可判断这主要是由牙菌斑代谢物产生的[10]。通常情况下，荧光发射强度与荧光基团分子的浓度成线性关系，光谱曲线也表明该区域的荧光强度随龋损程度的增加而增加。

2 产品的设计

2.1 系统整体设计

在现有理论和实验基础上，我们开发了智能龋齿侦察仪，由侦察设备和手机APP软件两部分组成，侦察设备又包括光学成像系统、数据传输系统和充电模块3个部分。外观设计时，不仅考虑到简单、大方的观感，而且手持器使用医用PC树脂，外壳选用铝合金材料，防水、防尘，确保卫生、安全、环保，设备结构图，见图3。

图2 不同龋损的牙齿样本的荧光光谱图

图3 智能龋齿侦察仪设备图

2.2 光学成像系统设计

在光学成像系统设计中（图4），选择6颗贴片405 nm波长LED作为激发光源放置在探头周围。因为龋损组织在405 nm的光源激发下会发出红色的自体荧光，该龋齿侦察仪以荧光颜色的差异来诊断牙齿的健康程度，所以选择405 nm的激发光源作为特定的光源。

图4 光学成像系统

在图像采集部分通过荧光滤光片，滤掉激发光及其他杂散光，显示出龋损组织明显的红色光谱，经镜头聚焦后感光元件接收透过滤光片的荧光，将光信号转换成模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现，传给FH8610无线摄像机图像信号处理芯片。FH8610是一款针对图像传感器、面向中低端无线摄像机应用的视频编码芯片，支持多种CMOS传感器，集成了智能去噪、图像增强、色彩校正、自动曝光以及白平衡等图像引擎；同时集成了H.264视频与JPEG/MJPEG图像编码器，并能提供多种输入/输出与对外通信控制接口。它具有功耗低，分辨率高，配置灵活，系统成本低等特点。智能龋齿侦察设备对器件功耗和图像处理要求较高，该器件非常适合本设备使用。

2.3 数据传输系统设计

数据传输系统选用marvell88w8801无线Wi-Fi智能模块将图像传输到手机软件。88w8801是一款高性能、低功耗、体积小SDIO接口无线模组，能够快速方便的与无线设备互相联通，无线传输速率高达72.2 M，是普通11 B产品的10倍。智能龋齿侦察设备要求图像无线传输效率高，且便携式设备要求体积小功耗低。故该无线Wi-Fi智能模块高集成单芯片设计，支持深度睡眠和待机模式的低功耗操作及支持客户端实施IEEE省电模式等性能可满足设备的性能要求。

2.4 手机APP软件的设计与实现

手机APP软件，命名为伢侦探，基于Android和iOS（iPhone Operating System）平台设计，可安装应用于Android和iOS两大类系统中。伢侦探APP主要包括用户个人的侦查日志、健康咨询和健康贴士3个部分（图5a～b）。牙齿侦察具有特异性，因此建立用户个人的侦察记录尤为重要。用户可以登录伢侦探APP并注册个人账号，生成个人侦察相册，便于随时查看。进入健康咨询模式，可以访问远程医生的信息（包括医生科室，医院定位等），根据信息选择合适的医生进行牙齿健康咨询，可在聊天界面发送侦察图像给医生。医生根据图像分析牙齿健康状况，给出合理建议，实现牙齿健康状况的检查。电子口腔检查报告单，见图5c。

3 产品测试及结果

该智能龋齿侦察仪内置1300 mAh高性能锂电池，充电3 h即可，绿灯亮起表示充电完成，可固定在家庭或办公室内使用。使用智能龋齿侦察仪可以清晰看到牙齿健康状况，在临床测试上，我们已经开展了社区义诊活动，采集了大量龋病数据，具有代表性的图片，见图6。

根据侦察图像，健康牙齿没有或者极少有红色荧光，对于早龋的牙齿，在它们发生龋损的部位能看到明显的红色荧光，这对医生诊断早期龋齿有重要帮助。中龋的牙齿出现部分损坏，损坏严重部分的荧光颜色会加深。重度龋损的牙齿红色荧光效果不明显，但是有明显的黑色。这些黑色部分表示牙齿大块的脱落或者完全的侵蚀，已经形成空洞。

4 总结

本研究针对龋齿早期检测问题，基于“互联网+医疗”的创新理念，集传感、数据无线传输和互联网概念，设计了一款智能的龋齿侦察设备，并对该设备应用的理论基础及各部分功能进行了详细介绍。该设备可通过日常检测牙齿检查获取个人牙齿的健康状况等信息，并生成图像传输到手机伢侦探APP上，同时可根据已获得的牙齿图像等信息远程咨询牙科医生，实现对龋齿的早期诊断早期预防。实验结果表明，该设备功能正常，运行稳定。后续将继续完善功能，增加手机软件上健康贴士的推送健康知识，以便用户可以更好的了解牙齿健康常识。另外，未来将在大量搜集的图像数据基础上设计算法，自动分析牙齿健康状况并给与反馈。

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