利用CP-OCT和SWIR反射成像監(jiān)測乳牙病變活動性

前言：準確評估病變活動性是臨床有效管理齲病病變的必要條件。齲齒病變通過礦物質(zhì)在病變表面的優(yōu)先沉積而停止，該礦物質(zhì)形成礦物質(zhì)含量較高的外層，作為液體進一步擴散到多孔病變體內(nèi)的屏障。當齲齒病變被病變外層中的礦物質(zhì)沉積阻止形成高度礦化的表面區(qū)域時，流體擴散到病變中被抑制。

目前需要新的非破壞性診斷工具，能在單次觀察中評估病變活動性，并在非手術(shù)干預(yù)期間監(jiān)測病變活動性隨時間的變化。研究表明，短波紅外（SWIR）成像方法，如1310 nm的光學(xué)相干斷層掃描（OCT）和波長大于1400 nm的時間分辨反射成像，可用于評估再礦化和病變活動性。光學(xué)相干斷層掃描可提供病變結(jié)構(gòu)的高分辨率橫截面圖像。偏振敏感光學(xué)相干斷層掃描（PS‐OCT）和交叉偏振光學(xué)相干斷層掃描（CP‐OCT）利用背反射光的偏振特性，在光學(xué)相干斷層掃描圖像中獲得額外的對比度，并減少發(fā)生在牙齒表面的強反射的干擾。使用CP‐OCT的體內(nèi)研究能夠準確檢測早期和嚴重的咬合病變，這些病變在X光片上不可見。CP-OCT能夠通過檢測病變表面高度礦化透明表面層（TSL）的形成以及暴露于再礦化溶液后損傷深度（ΔR）上的綜合反射率的降低來監(jiān)測牙齒表面的再礦化。

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本研究采用了SWIR反射成像裝置以及CP-OCT裝置。圖1A中示出了完全組裝的SWIR反射成像裝置的圖像。該裝置由三個3D打印的可高壓滅菌附件、一個用于傳輸SWIR光的直徑為1 mm的光纖、一個空氣噴嘴、一個由兩個透鏡組成的組件以及一個連接到微型InGaAs相機的可調(diào)節(jié)光圈組成。本研究使用的CP-OCT系統(tǒng)是從Santec購買的型號IVS-3000-CP。CP-OCT手柄的圖像如圖1B所示，它已被用于多種體內(nèi)齲齒成像研究。

圖1. （A）完全組裝的SWIR反射成像裝置的圖像（B）CP-OCT手柄的圖像

 

在招募的30名受試者中，29名受試者完成了研究。監(jiān)測每例受試者的兩顆牙齒上的疑似病變。其余58處病變中的6處被確定為完好，因為在任何時間點的CP‐OCT圖像中均未發(fā)現(xiàn)病變。另外10處病變由于無法在所有3個時間點對CP-OCT病變進行配準而被取消，CP-OCT樣本量為42處病變。

從兩處疑似活動性病變中提取的彩色和CP-OCT圖像，其中一處病變?nèi)蕴幱诨顒訝顟B(tài)并在深度和嚴重程度上進一步發(fā)展，另一處病變停止，如圖2所示。第一個病變顯示6個月內(nèi)損傷深度Ld和積分反射率ΔR增加，表面無可見TSL。CP-OCT圖像顯示病變在深度和面積上隨時間推移持續(xù)增加。在第二個病變示例中，TSL在3個月時和6個月后清晰可見，并且病變深度似乎沒有顯著增加，表明其從活動狀態(tài)進展到停止狀態(tài)。圖2中的彩色圖像顯示，兩處病變在0至6個月之間的外觀均無變化。

 

圖2. (A)0、3和6個月時疑似活動性病變的CP-OCT圖像指示 (B)0、3和6個月時疑似活動性病變的CP-OCT圖像（病變在彩色圖像中的位置由黃色框）

 

根據(jù)CP-OCT數(shù)據(jù)，在三個時間點的每個時間點計算42處病變的三個參數(shù)。損傷深度（Ld）、損傷深度積分的損傷反射率（ΔR）和透明表面區(qū)厚度（TSL）。每次測量的平均值±SD繪制在圖3中。在6個月期間，42處病變的平均Ld和ΔR顯著增加。這表明，在6個月期間，42處病變中的大多數(shù)仍處于活動狀態(tài)，且程度愈發(fā)嚴重。每3個月期間，平均TSL厚度大幅增加，表明一些病變確實停止或保持停止。在第6個月時，42處病變中的14處有明顯的TSL，表明病變停止。其中6處病變在第0個月時就產(chǎn)生了TSL，所有6處病變均在6個月內(nèi)保留TSL，且該期間內(nèi)平均TSL厚度明顯增加。另外8處病變在6個月內(nèi)形成新的TSL，6處阻滯病變的TSL厚度顯著增加。在第6個月時具有可測量TSL的14處病變中，所有14處病變嚴重程度（ΔR）從0至6個月均降低。

 

 

通過處理48個采集視頻，分析了第0個月和6個月時SWIR反射率圖像，根據(jù)獲得的時間-強度曲線計算兩個參數(shù)，即強度隨干燥的變化（ΔI）和反射率上升前的初始延遲（DEL）。根據(jù)病變上是否存在TSL，將48個SWIR視頻分成兩組，定義為活動和停止。圖4A示出了在0個月和6個月干燥30秒期間記錄的咬合面匹配區(qū)域的時序SWIR圖像。在圖4 B可以看到，咬合窩中有一個非常小的病變，在基線時活躍，在6個月時停止。SWIR反射強度的分布示于圖4C中， 正如預(yù)期，活動性病變（第0個月）在反射率快速上升之前顯示超過20秒的大延遲，阻滯病變（第0個月）在反射率逐漸升高之前幾乎沒有延遲。

 

圖4.(A)干燥過程中0和6個月時0 - 30 s病變區(qū)域的SWIR圖像（病變區(qū)域在黃色框中，健全區(qū)域在藍色框中）(B)0個月和6個月時的CP-OCT小窩溝病變圖像 (C) SWIR反射強度隨時間的變化曲線

 

總而言之，本研究是第一項使用CP-OCT和SWIR成像在體內(nèi)監(jiān)測乳牙病變結(jié)構(gòu)和活動隨時間變化的臨床研究，也是第一個使用短波紅外反射成像顯示活動性和停滯病變之間的脫水動力學(xué)的差異的臨床研究。本研究進一步證實了TSL厚度是病變活動性的關(guān)鍵客觀指標。病變活動和嚴重程度的視覺及觸覺指標（如顏色和紋理）的可靠性較差。6個月期間病變深度（Ld）和積分反射率（ΔR）顯著增加，表明大多數(shù)病變并未停止，實際上嚴重程度有所進展。除此之外，作者發(fā)現(xiàn)強度變化（DEL）開始的延遲似乎是比活動性病變的強度總體變化（ΔI）更好的病變活動性指標。這種發(fā)作延遲（DEL）在早期體外研究中被忽略，最近才發(fā)現(xiàn)是病變活動的指標。而停止的病變具有外部高度礦化的TSL，病變體和表面之間的液體最少，因此在干燥期間反射率上升之前存在最小的延遲。這種起始延遲（DEL）是可以在體內(nèi)更易測量病變活動的良好指標。

 

參考文獻

Zhu, Y.; Kim, J.; Lin, B.; Fried, D., Monitoring lesion activity on primary teeth with CP-OCT and SWIR reflectance imaging. Lasers Surg Med 2023, 55 (6), 601-609.

 

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