代晓华 姚晖天津市口腔医院中心实验室 天津 300041



光学相干断层成像技术及其在窝沟龋检测中的应用

代晓华 姚晖
天津市口腔医院中心实验室 天津 300041

［摘要］窝沟龋的早期发现和及时诊疗仍是口腔临床亟待解决的问题。光学相干断层成像技术（OCT）是一种新型非侵入性、高分辨率的光学诊断技术，可提供早期龋损的形态学和深度信息，且受釉质钙化不全及着色等因素影响较小。由于窝沟脱矿区域孔隙度增加，所以OCT利用低相干干涉原理在微孔中形成增强的微界面引起反射和多重散射，检测窝沟不同深度层面对入射低相干光的反射或背向散射信号，生成窝沟早期釉质龋及牙本质龋的二维或三维图像，通过计算集成反射率等进行龋损程度的量化分析，在窝沟龋诊断、抗龋治疗效果评估和辅助选择性清除脱矿牙体组织等方面具有良好的应用前景。本文着重就常规OCT、偏振敏感OCT、扫频OCT和交叉偏振OCT以及窝沟龋OCT成像与量化分析、OCT的窝沟龋诊断效能和OCT对窝沟龋疗效监测等研究进展作一综述。

［关键词］光学相干断层成像技术；偏振敏感；交叉偏振；扫频；窝沟龋

龋病是由细菌等多因素作用于已经萌出的牙体，使之发生无机物脱矿和有机物分解，形成牙体硬组织慢性进行性破坏的感染性疾病。龋损好发于牙体咬合面，发生于窝沟点隙的龋病称为窝沟龋，具有较大的破坏性［1-2］。窝沟龋的早期检测，尤其是隐匿窝沟龋的及时发现，有利于非手术性干预治疗的实施，最大限度的保护牙体；但鉴于窝沟特殊的形貌特征，临床常规探视诊方法和X线技术均难以发现窝沟早期脱矿，且探视诊时口腔探针的使用存在引发医源性龋损的风险，X线亦存在电离辐射的危害；因此口腔临床迫切需要具有敏感性更高、无损伤的窝沟龋量化检测技术，一方面可辅助诊断与治疗，另一方面可长期可靠地追踪龋变发展程度，从而确定龋损是否处于活跃期，是否需要干预治疗。

一些新技术，如光纤透照技术、电阻抗技术和定量光导荧光技术等被开发用于早期龋齿的检测，但这些技术的敏感性和特异性均在不同程度上受口腔复杂环境的干扰。光学相干断层成像技术（optical coherence tomography，OCT）这一新型生物光学诊断方法，兼具牙体硬组织和软组织成像能力，受釉质钙化不全及着色等因素影响较小，在牙体光滑面、咬合面和根面等部位脱矿及再矿化导致的牙体硬组织结构改变的定性和定量检测与评估方面均显示出良好的开发应用前景［3-5］。近年来，OCT技术得到快速发展，除常规OCT系统外，又开发形成了偏振、扫频和交叉偏振等功能性OCT系统。本文就各种光学相干断层成像系统技术的原理及其在口腔窝沟龋研究中的应用情况作一综述。

1　OCT及其检测原理

1.1常规OCT

常规OCT属时域OCT系统，采用低相干光干涉原理将低相干光偶联入迈克尔逊干涉仪，分别进入样本臂和参考臂。调节参考臂反射镜的位置，使得参考光与样品内不同位置的背向散射光发生干涉，由光电探测器接收，通过解调可以获得样品背向散射强度随样品深度变化的函数，进而获得样品在深度方向的结构［6］。OCT检测操作与超声技术相似，但其以光波替代声波，比超声空间分辨率高一个数量级，其轴向分辨率为10～20 μm，在健康釉质中辨析深度可达牙体表层下2～3 mm［3，7-8］。发生脱矿的釉质或牙本质孔隙度增加，微孔中矿物质晶体和水（空气）间微界面的局部反射率差异引起反射增高，光在脱矿组织中发生多重散射，这些增强的反射和散射光信号可为OCT系统所检测，在OCT二维图像中呈现高亮度［9］。用于龋齿研究的OCT系统多采用近红外光源，因在近红外光波段脱矿釉质光散射强度与健康釉质相差10～20倍，对比度高［10］；另外，在近红外波段1 310 nm波长处健康釉质近乎透明，OCT轴向成像深度明显提高。牙体单纯着色几乎不吸收近红外光［11-13］，对OCT检测龋齿干扰较小。较后续介绍的偏振和扫频等功能性OCT，常规OCT开发最早，成本相对较低，操作也更容易，在体内外对窝沟龋成像和脱矿深度分析等研究中均有使用［14-15］。常规OCT利用入射光透射深度及散射信号强度评估龋损程度，由于釉质与空气的折射率差异，釉质与空气界面存在镜面反射，可能干扰OCT系统对龋损区域的准确检测和通过集成反射率等手段对龋损的量化分析［8］。

1.2偏振敏感OCT

偏振敏感OCT（polarization sensitive optical coherence tomography，PS-OCT）是常规OCT的一种功能改进形式，即在常规OCT基础上将入射光源改为线性偏振光，对于排除釉质表面镜面反射信号干扰和分辨龋损区域周边健康釉质双折射产生的表面下伪相等方面具有较大优势。PS-OCT通过脱矿区域入射光发生的多重散射和脱矿牙体组织对探测光源的消偏作用原理检测龋齿。健康釉质本身具有双折射特性，不会产生消偏振作用；而龋变釉质，矿物质流失造成釉柱晶体结构和排列发生不同程度的破坏，线性偏振光快速消偏振或由线性偏振光变为混杂的偏振光。PS-OCT可探测平行轴和垂直轴背向散射信号，分别生成图像，利于获取龋损区域更细致的结构信息。PSOCT垂直轴图像上龋损区域成像对比度明显增强，在早期釉质龋及表面覆盖有健康釉质的隐匿龋检测中更具优势，PS-OCT垂直轴信号的集成反射率还是评估窝沟龋损严重程度的量化检测指标之一［15-16］。

1.3扫频OCT

扫频OCT（swept source optical coherence tomography，SS-OCT）属频域OCT，采用快速可调谐激光光源，通过平衡探测型光电探测器获得干涉光谱信号，信号经傅里叶变换重建样品结构信息。在对样本进行检测时，SS-OCT参考镜保持静止，系统具有更高的相位稳定性和更快的成像速度。SS-OCT成像速度可达33.3帧每秒，利于进行在体实时成像及三维图像的重建。在高速成像的同时，SS-OCT在信噪比及灵敏度等方面也都有所提高［11，17-18］。

1.4交叉偏振OCT

交叉偏振OCT（cross polarization optical coherence tomography，CP-OCT）是一种特殊的偏振光学相干断层成像系统，兼具PS-OCT可消除表面镜面反射干扰和SS-OCT的超高速成像潜能。其采用扫频激光光源，设计上使用偏振分束器分离出线性偏振光中的垂直轴光束作为探测信号，扫描后直接生成交叉偏振图像，可快速完成牙体表面的3D扫描与重建［19-20］。在CP-OCT图像中，牙体表面强镜面反射被进一步减弱，信噪比和龋损对比度均有所提高，可以更好地反映样品浅表层的微结构，在牙体龋损成像，尤其是近牙体表面的早期龋成像方面具有重要的价值。CP-OCT成像通过直接集成近牙体表面龋损区域反射率量化评估龋损程度，利于对扫描中获取的大量数据进行自动化分析，有望在未来的临床使用中实现实时成像的同时自动化输出龋损程度量化检测结果［21］。

2　OCT在窝沟龋研究中的应用

2.1窝沟龋OCT成像与量化分析

OCT因其高敏感特性，在窝沟早期釉质龋检测方面具有巨大的优势。2002年，Fried等［8］利用PS-OCT进行了窝沟早期自然龋体外牙样本扫描，在垂直扫描图像上，中央窝底部等三处龋损区域与样本牙剖面显微图像观察结果相吻合，初步显示OCT具有无创检测 面窝沟早期龋的潜能。2006年，Jones等［16］对pH循环0～14 d的人工窝沟早期龋模型进行了PS-OCT扫描，其二维扫描图中龋损的边界信息与样本牙磨片放射自显影图像和偏光图像上显示结果相符，PS-OCT垂直轴集成反射率与显微放射自显影术测定的矿物质损失量高度相关，意味着PS-OCT可对早期窝沟龋进行成像和量化检测。他们认为，通过集成PS-OCT垂直轴反射率，可以实现龋损程度的直接量化分析，降低复杂的局部解剖形态对窝沟龋量化分析的影响。2014年，Simon等［10］利用LabVIEW软件自动分析了早期窝沟龋模型的龋损深度并且计算了集成反射率，进一步地证明交叉偏振OCT图像可以直接用于计算龋损深度和集成反射率，提供龋损程度分布图。

除上述早期龋外，OCT对窝沟本质龋的成像和量化检测性能也逐步得到了验证。2011年，Azevedo等［22］在使用常规OCT评估窝沟本质龋模型的脱矿程度时认为，OCT可无创性有效检出细菌诱导脱矿导致的龋损深度。Staninec等［15］通过体内外研究进一步证实，OCT可显示窝沟本质龋及其在健康釉质层下沿釉质牙本质界横向扩展的情况。其在体外研究中，以PS-OCT垂直轴图像和平行轴图像的叠加形成的融合图像代表常规OCT图像，对常规OCT和PS-OCT检出窝沟龋效能进行了比较。结果显示二者均可对深达釉质牙本质界的窝沟龋成像，且所测定最深处龋变的脱矿深度数值相似；OCT图像上反射率的增高与相应的显微放射自显影术测定的矿质损失量的增加一致，OCT测定的龋损深度与显微放射自显影术和偏光显微镜检测出的龋损深度呈线性相关；其体内研究显示，在14例患窝沟本质龋牙体中，12例的OCT图像上可见龋损沟裂处高反射信号，龋损沟裂下方对应釉质牙本质界附近存在光散射信号增强。另外，OCT还可对窝沟牙体与封闭剂或修复充填体交界面成像，观察封闭或修复后牙体的釉质完整性和测量复合树脂材料表面形成的生物膜厚度，在无创性示踪封闭剂下窝沟龋的发展、在体评估成洞前的早期继发龋、优化复合树脂材料预防继发龋等方面具有良好的应用潜能［20，23-24］。

2.2OCT的窝沟龋诊断效能

OCT具有非损伤性获取龋损牙体结构高分辨率解析图像的优良性能，可进行窝沟龋变部位、龋变范围和龋变深度等检测。Nakajima等［9］探究了SS-OCT作为乳牙窝沟龋诊断方法的效能。其研究结果显示，在体外，SS-OCT检测乳牙釉质脱矿、釉质成洞龋和牙本质龋的敏感度分别为0.93、0.89 和0.75，而视诊的检测结果分别为0.70、0.49和0.36；在体内，SS-OCT对进展期乳牙隐匿龋的检测似乎亦优于视诊。Shimada等［25］使用SS-OCT对体外恒磨牙窝沟龋进行检测，结果显示SS-OCT检测恒牙釉质脱矿和本质龋的敏感度分别为0.98和0.6，均高于视诊相应的检测结果0.80和0.36。SSOCT检测乳牙本质龋的敏感度高于恒牙本质龋，这可能与乳牙釉质层较恒牙薄有关。Gomez等［26］体外比较了SS-OCT、国际龋齿检测和评估系统等方法诊断窝沟龋的性能，其中OCT对早期窝沟釉质龋诊断的敏感度为0.95，但其对早期窝沟釉质龋诊断的特异度和牙本质的诊断敏感度均较低，其原因可能与试验中采用对OCT图像进行主观视觉评估而非客观自动化算法量化分析有关。van Hilsen等［12］评估了CP-OCT在未成洞窝沟龋远程医疗诊断效能后认为：CP-OCT虽可检测是否存在龋变，但近红外光不能渗透整个龋损区域，CP-OCT难以充分评估龋损深度。OCT探测光渗透深度是限制OCT用于窝沟龋临床诊断研究的重要因素。Jones等［16］认为，大功率光源的使用可减少OCT图像的干扰因素，期望未来通过更高功率和更宽带宽光源的开发，增加OCT的成像深度和图像对比度。Kang等［13］发现，水和丙三醇等高折光率液体可增加PS-OCT光渗透深度，增强健康釉质下的隐匿龋光反射信号，提高窝沟点隙较深龋损的可见度。折光系数适宜且对人体无害递质的正确选择，或与偏振拉曼光谱等技术联合应用，可能利于进一步提高OCT对窝沟龋变的诊断效率。

2.3OCT对窝沟龋疗效监测

无创性监测牙体的脱矿与再矿化水平和观察初起龋损发展进程，有利于非外科干预治疗的有效实施和评估化学治疗或激光照射等抗龋治疗的效果。Jones等［23］对窝沟早期人工龋样本进行了间断PS-OCT扫描发现，pH循环14 d后窝沟龋样本的平均反射率较pH循环前增加了5.1 dB，平均反射率与pH循环时间的平方根呈线性相关（r=0.94），提示PS-OCT可有效地监测和量化评估人工窝沟龋变进程。Fried等［21］对氟化物干预治疗前后颊面与咬合面釉质龋进行了为期30周的临床试验，期间每6个星期进行一次CP-OCT扫描。结果显示OCT可体内无创性监测龋损的改变，具有临床监测龋损的极大潜能；而计算每一时间点的龋损深度和集成反射率，有可能成为评估龋损活动性的一种方法。OCT具有量化测定龋损深度、程序化输出龋损各位点切除深度的潜能，有望整合到激光消融系统，以达到选择性去除表面龋损组织，使健康釉质损失最小化的目的。在激光清除脱矿釉质过程中，对脱矿釉质去除前后分别获取的CP-OCT扫描图像进行叠加，可清晰显示去除组织量；但对于脱矿较深的龋损，在切除前OCT不能有效地反映整个龋损体积，可能需要在切除过程中多次重复进行OCT的扫描［27-28］。

3　小结

综上所述，OCT不仅在早期检出和诊断窝沟龋损、显示龋损的部位与定量龋损的深度等方面显示出良好应用潜能，可为临床窝沟龋变诊断提供重要的信息；而且对于准确评估龋损进程，判断龋损是处于静止期、活动期或再矿化期等也具有巨大的优势和潜力，可为正确选择窝沟龋变治疗方案及评估治疗效果提供依据。针对儿童群体而言，因幼年时期对X线辐射更为敏感，对OCT这样安全、无创的窝沟龋检测技术的需要亦更为迫切，因而OCT在儿童窝沟龋早期防治中具有更为广阔的开发应用前景。

4　参考文献

［1］于世凤，高岩.口腔组织学与病理学［M］.北京： 北京大学医学出版社，2005：232-243.

Yu SF，Gao Y.Oral histology and pathology［M］.Beijing： Peking University Medical Press，2005：232-243.

［2］冯希平.我国龋病流行趋势及对策［J］.中华口腔医学杂志，2009，44（2）：69-71.

Feng XP.Tendency of caries prevalence in china and the strategies of handling［J］.Chin J Stomatol，2009，44（2）：69-71.

［3］Huminicki A，Dong C，Cleghorn B，et al.Determining the effect of calculus，hypocalcification，and stain on using optical coherence tomography and polarized Raman spectroscopy for detecting white spot lesions［J］.Int J Dent，2010，2010： 879252.

［4］连小丽，姚晖，李燕妮，等.早期自然釉质龋光学相干断层图像定量分析［J］.国际生物医学工程杂志，2011，34（5）：257-260.

Lian XL，Yao H，Li YN，et al.Quantitative analysis of optical coherence tomography images for early natural enamel caries［J］.Int J Biomed Eng，2011，34 （5）：257-260.

［5］Lee C，Darling CL，Fried D.Polarization-sensitive optical coherence tomographic imaging of artificial demineralization on exposed surfaces of tooth roots［J］.Dent Mater，2009，25（6）：721-728.

［6］Huang D，Swanson EA，Lin CP，et al.Optical coherence tomography［J］.Science，1991，254（5035）：1178-1181.

［7］Ko AC，Choo-Smith LP，Hewko M，et al.Ex vivo detection and characterization of early dental caries by optical coherence tomography and Raman spectroscopy［J］.J Biomed Opt，2005，10（3）：031118.

［8］Fried D，Xie J，Shafi S，et al.Imaging caries lesions and lesion progression with polarization sensitive optical coherence tomography［J］.J Biomed Opt，2002，7（4）：618-627.

［9］Nakajima Y，Shimada Y，Sadr A，et al.Detection of occlusal caries in primary teeth using swept source optical coherence tomography［J］.J Biomed Opt，2014，19（1）：16020.

［10］Simon JC，Chan KH，Darling CL，et al.Multispectral near-IR reflectance imaging of simulated early occlusal lesions： variation of lesion contrast with lesion depth and severity［J］.Lasers Surg Med，2014，46（3）：203-215.

［11］Liu X，Jones RS.Evaluating a novel fissure caries model using swept source optical coherence tomography［J］.Dent Mater J，2013，32（6）：906-912.

［12］van Hilsen Z，Jones RS.Comparing potential early caries assessment methods for teledentistry［J］.BMC Oral Health，2013，13（1）：16.

［13］Kang H，Darling CL，Fried D.Enhancing the detection of hidden occlusal caries lesions with OCT using high index liquids［J］.Proc SPIE Int Soc Opt Eng，2014，8929： 892900.

［14］靳淑凤，代晓华，姚晖，等.光学相干断层成像术对人牙窝沟釉质早期龋变深度的测量［J］.国际口腔医学杂志，2010，37（6）：637-640.

Jin SF，Dai XH，Yao H，et al.Measurement of the depth of initial caries on the occlusal surface by optical coherence tomography［J］.Int J Stomatol，2010，37（6）：637-640.

［15］Staninec M，Douglas SM，Darling CL，et al.Nondestructive clinical assessment of occlusal caries lesions using near-IR imaging methods［J］.Lasers Surg Med，2011，43（10）：951-959.

［16］Jones RS，Darling CL，Featherstone JD，et al.Imaging artificial caries on the occlusal surfaces with polarization-sensitive optical coherence tomography［J］.Caries Res，2006，40（2）：81-89.

［17］吴彤.扫频光学相干层析成像方法与系统研究［D］.杭州： 浙江大学，2011.

Wu T.Development of swept source optical coherence tomography［D］.Hangzhou： Zhejiang University，2011.

［18］Holtzman JS，Ballantine J，Fontana M，et al.Assessment of early occlusal caries pre- and post-sealant application—an imaging approach［J］.Lasers Surg Med，2014，46（6）：499-507.

［19］Nee A，Chan K，Kang H，et al.Longitudinal monitoring of demineralization peripheral to orthodontic brackets using cross polarization optical coherence tomography［J］.J Dent，2014，42（5）：547-555.

［20］Lenton P，Rudney J，Chen R，et al.Imaging in vivo secondary caries and ex vivo dental biofilms using cross-polarization optical coherence tomography［J］.Dent Mater，2012，28（7）：792-800.

［21］Fried D，Staninec M，Darling CL，et al.Clinical monitoring of early caries lesions using cross polarization optical coherence tomography［J］.Proc SPIE Int Soc Opt Eng，2013：8566.

［22］Azevedo CS，Trung LC，Simionato MR，et al.Evaluation of caries-affected dentin with optical coherence tomography［J］.Braz Oral Res，2011，25 （5）：407-413.

［23］Jones RS，Staninec M，Fried D.Imaging artificial caries under composite sealants and restorations［J］.J Biomed Opt，2004，9（6）：1297-1304.

［24］Tom H，Simon JC，Chan KH，et al.Near-infrared imaging of demineralization under sealants［J］.J Biomed Opt，2014，19（7）：77003.

［25］Shimada Y，Sadr A，Burrow MF，et al.Validation of swept-source optical coherence tomography（SSOCT） for the diagnosis of occlusal caries［J］.J Dent，2010，38（8）：655-665.

［26］Gomez J，Zakian C，Salsone S，et al.In vitro performance of different methods in detecting occlusal caries lesions［J］.J Dent，2013，41（2）：180-186.

［27］Chan KH，Fried D.Selective removal of demineralization using near infrared cross polarization reflectance and a carbon dioxide laser［J］.Proc SPIE Int Soc Opt Eng，2012：8208.

［28］Tao YC，Fried D.Near-infrared image-guided laser ablation of dental decay［J］.J Biomed Opt，2009，14（5）：054045.

（本文采编王晴）

Optical coherence tomography and its application in the detection of occlusal caries

Dai Xiaohua，Yao Hui.（Central Laboratory，Tianjin Stomatological Hospital，Tianjin 300041，China）

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China（30770597）.

［Abstract］The early detection and diagnosis of caries in pits and fissures remain major problems in clinical dentistry.Optical coherence tomography（OCT） is an emerging，non-invasive，high-resolution，optical diagnostic technique.This approach can provide information on morphology and depth of early caries without the interference of enamel hypocalcification and stain.As the porosity of demineralized dental tissue increases，micro-interfaces within the micropores augment reflection and multiple scattering.Based on low-coherence interferometry，OCT can detect the reflected or backscattered signals to the incident beam at various vertical extents.OCT can also generate 2D/3D images of early enamel caries and dentine caries on the occlusal surface，and quantify lesion severity by calculating the integrated reflectivity.OCT is a promising prospect for the diagnosis of occlusal caries，anti-caries efficacy estimation，and assistance in the selective removal of demineralized tooth tissue by laser.This review focuses mainly on different types of OCT，namely，the conventional，polarization-sensitive，swept-source，and cross-polarization OCT.This review also highlights the abovementioned OCT applications in imaging and quantitative analysis，diagnostic efficiency，and therapeutic monitoring of occlusal caries.

［Key words］optical coherence tomography；polarization sensitive；cross polarization；swept source；occlusal caries

［收稿日期］2015-11-16；［修回日期］2016-02-23

［基金项目］国家自然科学基金（30770597）

［作者简介］代晓华，硕士，Email：jstonehome@163.com

［通信作者］姚晖，主任医师，学士，Email：yaoh2k@163.com

［中图分类号］R 781.1

［文献标志码］A［doi］ 10.7518/gjkq.2016.03.022