双波长荧光比例探测法诊断牙结石的研究

何元哲，杨　扬，王　夺，梁　瑞，吴俊峰，秦艳利

(沈阳理工大学 理学院，辽宁 沈阳 110159)



双波长荧光比例探测法诊断牙结石的研究

何元哲，杨扬，王夺，梁瑞，吴俊峰，秦艳利

(沈阳理工大学 理学院，辽宁 沈阳 110159)

摘要：采用405nm激光器和635nm半导体激光器为激发光源，对正常牙齿和牙齿牙结石覆盖区激发，对所得的荧光光谱进行分析；再利用双波长荧光比例探测法诊断是否患有牙结石。结果表明，采用双波长荧光比例探测法，其灵敏度达92.2%，准确度达99%，可为临床诊断提供有效的参考数据。

关键词：牙结石；荧光光谱；荧光比例探测法

牙结石是唾液中钙、磷等离子在牙菌斑中发生矿化沉积形成的，沉积在龈缘或龈沟内的结石对牙龈持续性的刺激压迫，使牙龈抗菌能力降低，引发各种牙类疾病，如心血管病、糖尿病等[1-2]。现今牙结石的主要治疗方法为常规机械洁治和超声波洁治，医师凭经验判断牙结石是否清除干净，难以做到准确无误，所以一种实时、有效的牙结石诊断方法非常必要。

目前可实现牙结石诊断的方法有手动探针诊断法、超声波诊断法和荧光诊断法，其中手动探针诊断法和超声波诊断法均会对正常的牙组织造成一定的损伤，而激光诱导荧光(Laser Induced Fluorecence，LIF)诊断法[3]具有无损伤、非接触、高灵敏度和高准确性等优点。研究发现，当用655nm半导体激光器作为激励光源时，牙结石的相对荧光强度明显不同于正常牙齿[4-5]，Krause 等人[6]通过测量正常牙齿和牙结石反射光的差异来诊断牙结石，胡杰等人[7]利用荧光峰的区域面积与反射光峰的区域面积比值来判定牙齿是否有牙结石。这些研究显示，荧光诊断技术相比于传统诊断方法具有很高的准确性，但这些诊断方法仍有不足，很容易受诊断环境因素影响，例如诊断距离、角度、光源等。

本文选用波长为405nm和635nm激光器对牙齿进行激发，对牙齿的荧光光谱进行分析；再利用双波长荧光比例探测法诊断是否患有牙结石。实验表明，采用双波长荧光比例探测法，可有效提高检测灵敏度、准确度和可靠性。

1　实验

1.1　样品

提取15颗正常牙齿和15颗局部覆盖面积为5%～20%牙结石牙齿，用流水进行冲洗，分别放入不同的9%生理盐水的广口瓶中，对瓶子进行编号，置于20℃左右的黑暗环境中，待测量时取出。

1.2　实验系统及实验过程

实验在室温(20～25℃)且黑暗的环境下进行，把样品放在二维平移台上，在样品的表面滴上生理盐水，使其在牙齿表面形成一层均匀的液体薄膜即可。

(1)405nm激光器。首先把待测牙齿固定在二维移动台上，移动二维移动平台调整待测物体的准确位置，使光斑照到待测牙齿上；由二向色镜收集经牙齿反射的光及牙齿发出的荧光，然后聚焦到光纤控头上；反射光及荧光通过光纤光谱仪传输到计算机上，再通过计算机对数据进行处理和分析。反复实验可知，在二向色镜与光纤控头的夹角为45°时，光谱收集的荧光强度最强。实验系统如图1所示。

图1　实验系统图

(2)635nm半导体激光器。将图1中的激光器换为635nm的激光器，激光光束经输出光纤垂直照射到正常牙齿和牙结石牙齿表面上，反射光及荧光由二向色镜聚焦到输入光纤，输入光纤在与入射方向成一定角度侧向收集荧光及反射光，收集到的光进入光谱仪传输到计算机上，经Origin软件处理得到正常牙齿和牙结石牙齿的光谱。

2　结果和讨论

(1)用405nm激光器激发正常牙齿和牙结石牙齿，在510nm处有牙结石牙齿荧光峰值明显高于正常牙齿，如图2所示。

图2　405nm正常牙齿和牙结石牙齿平均荧光光谱比较

(2)用635nm激光器激发正常牙齿和牙结石牙齿，在700nm处牙结石牙齿有较强的荧光峰，峰值明显高于正常牙齿，如图3所示。

(3)双波长牙结石荧光光谱图如图4所示。

荧光强度易受很多因素的影响，如激发光的输出功率、测量距离等。仅仅利用荧光或反射光强度来诊断牙结石，难以确定诊断标准；利用荧光峰的区域面积与反射光峰的区域面积比值来判定牙齿是否病变可减少外界的影响，但其准确度不高。本研究提出用双荧光峰的区域面积与双反射光峰的区域面积比值R来判定牙齿是否病变。

R=(S1+S2)/(S3+S4)

式中：S1为波长405nm激发的荧光光谱在385～425nm波段内的光谱面积；S2为波长635nm激发的荧光光谱在615～655nm波段内的光谱面积；S3为波长405nm激发的荧光光谱在425～700nm波段内的光谱面积；S4为波长635nm激发的荧光光谱在655～725nm波段内的光谱面积。

图3　635nm正常牙齿和牙结石牙齿平均荧光光谱比较

图4　双波长牙结石荧光光谱图

由1.2实验得到的结果如表1所示。由表1可知，牙结石的R平均值是0.4243±0.1276，正常牙齿的R平均值是1.2637±0.1535，正常牙齿和牙结石存在显著差异，R=0.8为牙结石的诊断阈值，其灵敏度达92.2%，准确度达99%。

表1　牙结石和正常牙齿的R值及其灵敏度、准确度

3　结论

采用两种激光器对牙结石进行激发，得到荧光光谱。利用双荧光峰的区域面积与双反射光峰的区域面积比值R=0.8为诊断牙结石的诊断阈值，其灵敏度达92.2%，准确度达99%。所以采用双波长荧光比例探测法，可有效提高检测灵敏度、准确度和可靠性，为临床诊断提供有利的参考数据。

参考文献：

[1]郭冬梅.牙周病与系统性疾病相关性的研究进展[J].西北民族大学学报(自然科学版)，2006，26(61)：70-73.

[2]李杰，王俊红.牙周病和全身系统性疾病相关性的研究进展[J].中国全科医学，2006,14(9)：1213-1215.

[3]刘盛龄,谢树森,刘丽娜,等.激光和照明白光共轴传输的咽鼻镜成像系统[J].光电子·激光(生物医学光子学报版)，2008,19(5):716-718.

[4]Folwaczny M，Heym R，Mehl A，et al.Subgingival calculus detection with fluorescence induced by 655 nm InGaAsP diode laser radiation[J].Periodontol，2002，73(6):597-601.

[5]Krause F，Braun A，Frentzen M.The possibility of detecting subgingival calculus by laser fluorescence in vitro[J].Lasers Med.Sci，2003，18( 1):32-35.

[6]Krause F，Braun A，Jepsen S，et al.Detection of subgingival calculuswith a novel LED-based optical probe[J].PERIODONTOL，2005，76( 7):1202-1206.

[7]胡杰，杨扬，秦艳利，等.激光诱导荧光牙结石诊断研究[J].沈阳理工大学学报，2013,32(2)：53-55.

(责任编辑：赵丽琴)

Method of Dental Calculus Detection by the Proportion of Dual-wavelength Fluorescence

HE Yuanzhe,YANG Yang,WANG Duo,LIANG Rui,WU Junfeng,QIN Yanli

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Abstract：Dental calculus is one of the most important causes of periodontal disease,so diagnosis of dental calculus,especially subgingival calculus,is crucial for the therapy.One excitation wavelength is usually used in previous study for diagnosis of dental calculus.To increase the sensitivity of detection,405nm and 635nm semiconductor laser were repectively used to excitedental calculusnormal coverage area.The fluorescence spectra obtained were analyzed and summarized to prove the prescence of dental calculus by using the proportion of fluorescent detection method.This study shows that the sensitivity and specificity is respectively 92.2%and 99%by using dual-wavelength fluorescence ratio detection method.This study may provide a favorable reference data for clinical diagnosis.

Key words：dental calculus;fluorescence spectra;dual-wavelength fluorescence ratio detection method

中图分类号：R318.51

文献标志码：A

文章编号：1003-1251(2015)01-0073-03

通讯作者：

作者简介：何元哲(1991—)，女，本科生；秦艳利(1979—)，女，副教授，博士，研究方向：激光光谱技术应用.

基金项目：沈阳市科技局项目(F11-265-6-02)；辽宁省大学生创新项目(41410013S004)

收稿日期：2014-05-28