龋齿的快速检测方法研究

张浩颖，皇甫胜男，高体杰，赖光云，项华中，郑 刚，陈明惠，汪 俊，王 成

（1.上海理工大学 生物医学光学与视光学研究所，上海 200093；2.上海理工大学 教育部医用光学技术与仪器重点实验室，上海 200093；3.上海交通大学医学院附属第九人民医院 儿童口腔科，上海 200023）

引 言

口腔作为消化系统的起始部位，因其温热潮湿的特定环境，高糖食物的频繁摄入和唾液的作用，成为口腔微生物赖以定植生存的重要生态区。目前，发现的口腔微生物已超过700种[1]，包含细菌、真菌、病毒等，它们寄居在牙齿、舌、龈沟等口腔组织表面，其中细菌是口腔微生物的主体，主要附着在口腔微生物膜上，而微生物膜中菌群的失衡是诱发龋齿的主要原因[2]。此外，包括牙龈卟啉单胞菌、中间普氏菌等多种致龋菌在与口腔微生态相关的各种全身系统性疾病中被检出。

现阶段，人们越来越关注口腔健康状况以及注重口腔疾病的预防，然而早期的龋齿很难通过X线片，视诊法和触摸法发现。光学方法因其无电离辐射，评估牙釉质效果更好等优点，在早期龋损检测中受到广泛应用，包括定量光诱导荧光技术、光热辐射技术、光纤透照法等。因此，准确获取早期龋齿信息，及时有效的诊治不仅有利于口腔健康，也有利于全身健康。本文将主要介绍光学领域里早期龋齿的快速检测方法以及口腔疾病对全身健康的影响。

1 龋齿及致病菌快速检测技术

目前，龋病的检测主要是基于X线片，并根据经验诊断口腔问题，但只能是在某个特定的场所，且有电离辐射等缺点。研究者们深入探索早期龋齿的检测方法，以及致病菌的致病机理，不断改进检测技术。如：定量光诱导荧光技术（quantitative light-induced fluorescence，QLF）[3]，激光荧光龋齿检测（DIAGNOdent，DD）[4]，光热辐射测量技术（ photothermal radiometry，PTR）[5]，光纤透照法（fiber optic transillumination，FOTI）[6]等。

1.1 定量光诱导荧光技术

定量光诱导荧光技术（quantitative lightinduced fluorescence，QLF ）工作原理为（405±20） nm的光照射在牙齿上，激发出荧光。牙齿健康区域呈绿色荧光，龋损部位由于脱矿而导致出射荧光强度小于周围健康组织，呈现暗斑。龋齿荧光检测仪（quantitative light-induced fluorescence digital，QLF-D）依据这种原理，加入滤光片，使牙齿表面健康区域呈白色，脱矿区域更暗，该技术可用于检测咬合面和光滑面龋损。

Lee等[7]将人唾液在不同浓度的蔗糖环境下培养出具有不同程度致龋性的牙菌斑生物膜，采用QLF-D在405 nm蓝光下采集生物膜荧光图像，通过定量分析，发现红色荧光与体外培养的牙菌斑微生物膜的致龋特性有关。随后Lee等[8]将牙菌斑生物膜的红色荧光用作评估抗菌剂功效的指标，通过将生物膜在蔗糖环境下培养后，分别用洗必泰（chlorhexidine，CHX）与无菌蒸馏水处理后，发现CHX可以降低牙釉质的矿化。

本团队[9]将自体荧光技术与内窥镜技术相结合，首次采用双通道成像结合深度学习算法，研发出一款龋齿检测仪（见图1（e）），在405 nm光激发下，可在牙齿上以自体荧光成像的形式检测牙菌斑，健康状态的牙齿没有形成牙菌斑膜，所以没有红色自体荧光（见图1（a）），而久未清洁的牙齿，成型的牙菌斑膜在405 nm光照射下，显示红色自体荧光（见图1（b）），在白光照射下，可捕捉到白斑病变、龋齿等牙齿图像（见图1（c）和（d）），并通过无线网络传输到智能手机，通过牙齿图像确定口腔健康，操作简便，仪器小巧易携。

1.2 激光荧光龋齿检测仪

DIAGNOdent是专用于检测龋齿的仪器，其基本原理如图2所示，采用655 nm光源照射牙齿，利用龋损部位上的光强分布与健康部位不同，通过采集光强的大小，实现对龋齿损坏程度的描述，中心纤维传导发射激光束，周边纤维传导反射激光，在仪器上以数值形式表示牙齿脱矿程度。数值越大，荧光强度越强，龋损越严重，具体数值如表1所示。

由德国KaVo公司开发的DIAGNOdent具有可靠性高，不受牙齿发育程度的影响等优点，灵敏度高于视诊法，特异度高于电阻抗法[10]，对窝沟龋的敏感性高于X线检查[11]。

图1 检测图像[9]Fig.1 Teeth detected by dental caries detector[9]

图2 DIAGNOdent原理图[12]Fig.2 Schematic diagram of DIAGNOdent

表1 DIAGNOdent显示数值与牙齿矿化的关系[13]Tab.1 Relationship between DIAGNOdent display value and tooth mineralization

1.3 PTR 技术

PTR技术是一种基于光热效应的检测技术。此技术采用调制激光照射样本表面，样本吸收部分光能并将其转化为热能，再采用热探测器探测样本表面热能辐射的热波信号，经处理获取热辐射信号的幅值及相位的数据及图像[14]。由于牙齿受损部位与正常部位存在形态上的差异，所以得到的热信号会产生一定的对比度。有研究采用PTR技术比较分析龋损和健康牙齿，发现该方法在牙釉质层5 mm以内的部分具有更高的灵敏度。

The Canary System正是基于PTR原理的早期龋齿检测仪，具有无损、安全、体积小、检测迅速、灵敏度高等优点，它采用660 nm激光，2 Hz频率对牙齿进行主动式热激励，可探测50 μm至5 mm的龋损。通过对比DIAGNOdent和The Canary System对窝沟封闭剂下的继发龋齿研究[15]，并与视诊法相比，发现The Canary System的检出率不如DIAGNOdent的准确度高，表明The Canary System对龋齿检测的灵敏度还需改善和提升。

1.4 光纤透照法

光纤透照法（fiber optic transillumination，FOTI）作为传统视诊方法的补充用于早期龋损的检查，其原理是近红外光照射在牙齿上，由于龋损部位光的散射和吸收比健康牙齿多，导致脱矿的牙釉质在光透照下表现为灰色暗带，牙本质龋表现为褐色或桔黄色[16]。

在此基础上，KaVo公司将数字成像与FOTI结合，研发出基于数字化光纤透照法（digital imaging fiber optic transillumination，DIFOTI）的DIAGNOcam（DC）[17]，与X线片相比，DC无电离辐射，对孕妇、儿童更友好，且对邻面龋及龋洞深度的检测较好，采集的图像可以存储并可重复测量，但检测过程受环境光线影响较大，准确度有待提高。

1.5 SoproLife

SoproLife口腔内窥镜采用两组LED，可在白光或蓝光模式（波长：450 nm）下照射牙齿表面。相机配有图像传感器（CCD），该图像传感器由覆盖有补色滤光片的像素组成，收集到的数据与每个像素接收到的能量有关，使牙齿的图像能够被检索并存储在计算机中[18]。

有研究[19]评估SoproLife在早期龋病的体外再矿化检测和量化方面的功效，发现SoproLife可用于早期发现和长期监测再矿化，Panayotov等[20]用SoproLife相机在龋齿牙本质中观察到的红色荧光与日光下观察到的褐色相对应，为龋齿牙本质的红色荧光提供了新的生物学基础，并加强了SoproLife相机在龋病诊断中的重要性。Zeitouny等[21]证实 SoproLife与 ICDAS有相同优势，在对釉质中的非龋齿性病变和视觉变化分类中，显示出很高的敏感性和特异性。

2 口腔疾病与全身疾病的关系

研究者通过对患者与健康对照组的口腔各类菌群进行比较，发现口腔致病菌不仅会造成龋齿、牙周病[1]等口腔疾病，还会影响呼吸系统、心血管系统、消化系统等身体系统，表明口腔疾病与全身疾病密切相关。

Carmen等[22]对慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD)患者与健康对照组进行研究，发现COPD与口腔健康存在着紧密的关系，不良的牙周健康、牙齿护理和匮乏的口腔健康知识与COPD风险增加显著相关。在微生物研究中发现，26%的人类粥样硬化斑块中存在牙周致病菌[23-24]，且口腔中梭菌属的过度免疫反应，会激活癌症生长基因，可能会随着时间的推移发生癌变，诱发食管癌[25]。阿尔兹海默病（Alzheimer’s disease，AD）[26]和类风湿性关节炎（rheumatoid arthritis，RA）[27]被认为与口腔中的牙龈卟啉单胞菌有紧密联系，牙龈卟啉单胞菌在造成牙周感染后可使全身处于微炎症状态，通过炎症机制促进AD的发生发展[28]；而RA患者的口腔微生物群落也发生显著失调，当患者的RA得到治疗后，这种口腔微生物群落的失调也得到了纠正，且恢复程度与治疗状况密切相关[29]。糖尿病的发生会影响口腔龈下环境，继而影响口腔健康[30]，妊娠期间的早产率与牙周健康也有很大关系[31]，牙周健康的产妇早产率为11.2%，重度牙周炎产妇的早产率为28.6%[32]。

综上，依赖快速检测技术的发展，发现口腔致病菌与全身健康息息相关，因此维护口腔健康十分重要。然而由于快速检测方法的局限性，口腔健康与全身健康的关系研究只能通过对大量对照组的比较得出，大部分研究只能发现口腔某种细菌与疾病具有一定的相关性，还不能解释其具体的相关机制。

3 展 望

在对口腔健康与全身健康的关系研究中发现，在COPD、食管癌、糖尿病、AD、早产等疾病发生时，牙菌斑生物膜中的部分细菌与未患病时相比，数量大幅变化，导致微生态系统失衡，而当疾病转好或治愈时，微生态系统也随之恢复平衡状态。因此，我们不仅可以通过对口腔生物膜中细菌的检测，来提示身体状况，还能通过对其他疾病的发现来修正口腔问题。但是现阶段关于口腔中致病菌的研究仍旧不足，需要研究者们深入解析细菌的致病机制以及其生理功能，通过对基因的测序，了解致病菌与全身疾病的生物学关系，从而有效预防和治疗疾病。

而光学在龋齿检测中也起到举足轻重的作用，光学方法可以做到无损、快速、精确的诊断，是未来龋齿快速检测的发展趋势。但是空间分辨率和实时性还需要进一步提高，才能够广泛地被人们接受。由于现阶段的QLF技术可用于菌斑检测，因此可以利用QLF的荧光特性检测细菌，进而判断疾病。在不同波长激发下，QLF技术会对某些特定细菌产生红色荧光，在相同波长激发下，不同细菌的峰值不同，荧光强度不同，因此可以根据荧光特性判断疾病。