光学弱相干层析技术的原理及口腔应用

    作者：魏利敏　石四箴

    【关键词】  光学弱相干层析

    光学弱相干层析技术（optical coherence tomography，OCT）是将光学相干技术与激光扫描共聚焦技术相结合产生的一门新的成像技术，与超声成像类似，只是以红外光代替声波。由于其具有分辨率高，可达10 μm，无电离辐射等优点，近几年国外一些学者为将其应用于口腔医学领域作有研究，本文就此作一综述。

　　1  OCT原理和系统组成

    光在混沌介质中传输后，将被散射和吸收，并因此而改变光的强度、相干性和偏振。根据入射光子被散射次数的多少可分为3种类型的光子：弹道光子、散射光子和蛇形光子。弹道光子无散射地穿过介质，保留了相干性，并带着散射介质内部大量的信息。散射光子被多次散射，仅带有散射介质的少量信息，丢失了光子的初始特性,特别是相干性。蛇形光子经历少数几次散射, 在以入射方向为轴的小角度范围内传输，保留了入射光子的大部分特点，带有一部分介质结构的信息。相干方法利用携带散射介质信息的弹道光子和蛇形光子成像。

　　图1  OCT系统示意图　略

    OCT系统核心部分是一个光纤Michelson干涉仪，如图1 所示。光源输出耦合进单模光纤，被3dB的耦合器等分成两路。一路经由透镜共焦系统聚焦在样品上，另一路经透镜扩束照在高反射镜上作为参考光。分别从样品臂和参考臂返回的两束光在耦合器中重新会合, 并当两臂光程差在光源相干长度内时，样品臂的弹道光和蛇形光与参考臂发生干涉，干涉信号经内置隔直流电路的光电倍增管放大和锁相放大器后，由计算机采集和处理。所得的二维扫描测量数据直接记录下了组织对入射光的散射情况关于样品中各深度和横向位置的函数。结果数据列阵可直接看成是灰度级或伪彩色图［2］。

    最近在普通OCT的基础上增加光的偏振原理进行改进得到的偏振光敏感光学弱相干层析技术(polarization-sensitive optical coherence tomography，PS-OCT)将图像分辨率提高达2~3 μm，并且能够提供较普通OCT更多的图像信息。PS-OCT基本构成同OCT，仅在激光发生装置和信号检测装置上各增加了一个偏光器。两者差别在于，前者同时运用了散射和偏振光原理，后者仅利用了光的散射原理［9］。 

　　2  OCT技术应用发展

    上世纪九十年代初期，OCT做为一种针对透明和半透明结构物质的成像方法发展起来。该技术最早应用于眼科的视网膜检查中，后来被用于皮肤和胃肠道等不全透明组织研究中，将OCT用于口腔医学领域仅最近才见相关报道。Colston等［5］于1998年首次报道用OCT取得离体猪前磨牙的牙本质和牙周组织的OCT图像，Baumgartner［9］于同年成功得到离体牙釉牙骨质界的清晰OCT图像，Amaechi［10］于2001年获有龋损组织的典型OCT图像。但以上研究仅限于离体牙研究，未来专门用于口腔的OCT探头的研制成功将使得体内拍摄牙体的OCT图像成为可能［6］。

　　3  OCT检测早期釉质龋的应用研究

    由于牙齿对光的散射和吸收，激光穿入牙齿的深度有限，因此牙OCT成像深度被限定在一定范围内，一般常用OCT在口腔中的成像深度，硬组织为3 mm，软组织1.5 mm［2］。牙釉质的光学散射系数低于牙本质，导致OCT图像牙釉质的成像灰度较牙本质高。正常牙体及牙周围组织的OCT图像上可以看到以下软硬组织构造细节，如牙釉质、牙本质、牙龈结合上皮、龈沟、釉牙骨质界等［8］。

    OCT检测早期龋的原理：龋损釉质中有机成分的增加导致该部位釉质的光学散射系数低于周围正常牙釉质，在OCT图像上显示为较周围正常釉质灰度高的白色影像。根据定量测量图像的灰度值可以定量测定龋损组织的脱矿程度［1，3，11］。

    Amaechi等［1，10］分别用OCT和透射显微放射摄影术(transverse microadiography,TMR)检测牛正常切牙在人工致龋后24 h、48 h和72 h内的早期龋，发现经通过OCT测得的结果和TMR测得的结果高度相关，TMR已经被公认作为定量脱矿程度的"金标准"，该研究证实了釉质在OCT图像上的灰度值可以反应其矿化状态，通过计算不同脱矿阶段之间的灰度值差异还可对釉质脱矿程度进行纵向监测。而在人工致龋后24 h、48 h和72 h的OCT图像上正常牙釉质和龋损组织界限清晰可辨，此研究证明OCT可以准确地发现形成人工龋24 h时以上的早期釉质龋。Baumgartner等［9］用PS-OCT拍摄成人离体后磨牙颊面釉质白垩斑，OCT图像可显示距釉质表面0.4 mm深度内的早期龋； Fried等［4］在拍摄第三磨牙牙合面窝沟龋时，OCT图像可显示距窝沟底釉质表面1~5 mm深度内的早期龋；同时在拍摄近中邻面釉质白垩斑时，OCT图像可显示距釉质表面1 mm深度内的早期龋。以上的结果说明PS-OCT能够发现极早期的光滑面、牙合面及邻面釉质龋。

　　4  在口腔其他方面的应用

    Staninec等［7］和Otis等［2，3］在研究中发现 PS-OCT能够透过1~1.5 mm厚度的复合树脂修复体或窝沟封闭剂，检测到修复体或窝沟封闭剂下方的早期继发龋。因此可PS-OCT可用于牙体修复和窝沟封闭效果的评估上。Fried等［4］分别在氟化物使用前和使用后两周对牙齿进行检测发现，原先80~120 μm深度的脱矿缩减为20~30 μm的深度，因此OCT也可以用于漱口水、氟化物等防龋措施疗效评估上。在研究中，他们还拍摄了不同进展阶段龋损的OCT图像，通过进行比较，纵向监控龋病发展进程。牙OCT图像上还可以观测到牙龈结合上皮的精细结构，因此还可以用于牙周疾病的诊断中［11］。

　　5  OCT与其他检测早期龋方法的比较

    在目前早期龋的诊断方法中，得到FDA认证的有定量光导荧光法(quanitive laser-induced fluorescence，QLF)和数字化显影光纤透照技术（digital imaging fiber-optic transIllumination，DIFOTI），其中QLF法通过测定脱矿釉质和周围正常釉质荧光强弱的差别来鉴别并定量龋坏程度，是目前公认较理想的龋损定量方法，但QLF有以下不足之处：1）有学者认为，其采用的特定波长范围的激光易导致细菌的积聚和菌斑的形成［4］；2）对深度达到牙本质的中晚期的龋损较敏感，而对早期釉质龋只有40%的敏感度［12］；3）不能够提供龋坏的深度和程度等相关信息［13］；4）对光滑面龋检测较敏感，而对发生率高的邻牙合面龋敏感度低；5）不能提供龋坏部位表面的信息［14］。而DIFOTI仅适用于邻面龋的检测，目前还尚未用于牙合面龋的诊断中。

    OCT具有以下优点：1）结合了共焦、弱相干、光外差及扫描层析成像等技术的优点，具有较高的探测灵敏度和分辨率，对早期釉质脱矿检测精确度高达98%；2）可以检测早期根面龋及继发龋 ；3）无电离辐射，安全环保；4）无损伤，可在体内检测；5）能采用通讯中使用的光学光纤元件，相对比较便宜，并且便携。

    随着生物医学光子学技术的飞速发展，OCT技术将有更大的发展空间，技术的改进将主要集中在分辨率的提高和成像深度的增加上。

　　参考文献

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　　［4］  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

　　［5］  Colston BW, Everett MJ, Sathyam US, et al. Imaging of the oral cavity using optical coherence tomography ［J］. Monogr Oral Sci, 2000, 17∶32-55

　　［6］  Otis LL, Everett MJ, Sathyam US, et al. Optical coherence tomography: a new imaging technology for dentistry ［J］. J Am Dent Assoc, 2000, 131(4)∶511-514

　　［7］  Staninec M, Xie J, Le CQ, et al. Influence of an optically thick water layer on the bond-strength of composite resin to dental enamel after IR laser ablation ［J］. Lasers Surg Med, 2003, 33(4)∶264-269

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　　［9］  Baumgartner A, Dichtl S, Hitzenberger CK, et al. Polarization-sensitive optical coherence tomography of dental structures ［J］. Caries Res, 2000, 34∶59-69

　　［10］  Amaechi BT, Higham SM, Podoleanu AG, et al. Use of optical coherence tomography for assessment of dental caries:quantitative procedure ［J］. J Oral Rehabil, 2001, 28∶1 092-1 093

　　［11］  Feldchtein FI. In vivo OCT imaging of hard and soft tissue of the oral cavity ［J］. Optics Express, 1998, 3(6)∶239-250

　　［12］  Pretty IA , Smith PW, Edgar WM, et al. Detection of in vit-ro demineralization adjacent to restorations using q-uantitative light induced fluorescence(QLF) ［J］. Dent Mater, 2003, 19(5)∶368-374

　　［13］  Angmar-Mansson B, Ten-Bosch JJ. Quantitative light-induced fluorescence (QLF): a method  for assessment of incipient caries lesions ［J］. Dentomaxillofac Radiol, 2001, 30(6)∶298-307

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