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光学技术用于龋牙早期诊断的研究 摘要 论文主要采用了三种光学方法研究龋牙的早期诊断：基于光散射的光学相干层析 术( o c t ) 和拉曼光谱技术( r s ) ，以及基于光吸收的光声光谱技术( p a s ) 。龋牙的 变始于牙釉质，因此，用o c t 测量出的牙釉质矿物质密度的变化可以定量诊断出牙齿的龋损 程度；同时，在龋牙的病变过程中，牙釉质的晶体排列方向发生改变，这种方向的变化可以 用偏振拉曼光谱的偏振度来量度，它的大小与龋损的程度相关联。另外，我们首次提取光声 信号中的光学、力学和声学参数，模拟结果表明定量提取这些参数有助于龋牙的早期诊断。 本论文共分为6 章，第一章为绪论，综述了各领域在龋牙诊断的研究进展和成果；第- n 五 章分别介绍了作者在研究生期间做的主要工作，第六章对本论文的工作做了讨论和展望。 1 ) 光学相干层析成像技术用于早期龋牙诊断的研究 论文用o c t 对龋牙的早期诊断做了定性和定量的研究。定性研究是通过它们之间二维图 的差异诊断的：健康牙齿的散射光在牙釉质层均匀衰减；而龋牙的多孔结构导致散射光在其 中来回反射而在o c t 图上形成比较明亮的锥形亮斑。而定量诊断是首次通过测量牙釉质矿物 质密度来实现的。首先，基于衰减系数与矿物质密度的线性关系，用模拟样品拟合出衰减系 数与矿物质密度的校准直线；然后从o c t 图中获得牙齿的衰减曲线；最后，从校准直线中求 到对应的矿物质密度。结果表明健康牙齿比龋牙具有更大的矿密度。因此，o c t 可以实现龋 牙的早期诊断。o c t 可以和光纤结合的特点意味着它可以在临床上使用。 2 ) 偏振拉曼光谱技术用于受污染龋齿的早期诊断研究 论文研究了用拉曼光谱诊断受污染牙齿的早期龋。首先比较了健康牙齿和龋牙的拉曼 光谱和偏振谱。结果发现：健康牙齿和龋牙的拉曼微谱中，没有出现任何峰的移位和新峰， i 光学技术用于龋牙早期诊断的研究 也没有峰发生消失；但是，它们的平行谱和垂直谱是不相同的，这种区别可以用特征峰 9 5 9 c m - 1 处的偏振度定量区分健康牙和龋牙。由于牙齿通常受到各种因素被污染，这些被污染 的牙齿容易产生强的荧光光谱。为解决这个问题，论文首次用小波变换的方法去除牙齿的荧 光背景光谱，分离出信号和背景。结果表明：去除背景后比原始谱计算的偏振度有更大的精 度。因此，r s 可以实现龋牙的早期诊断。r s 可以和光纤结合的特点意味着它可以在临床上使 用。 3 ) 牙釉质模拟物的拉曼光谱研究 论文首次用r s 研究了牙釉质模拟物羟基磷灰石的成分、结构和相随煅烧温度变化而 变化的特征。由于煅烧的羟基磷灰石可以提高其力学性质。因此，掌控煅烧过程的变化有利 于羟基磷灰石更广泛的应用；同时，在龋牙的激光治疗中对于选取合适的光照温度有一定的 参考价值。 4 ) 光声光谱技术用于龋牙早期诊断的研究 论文首次用p a s 技术研究了龋牙的早期诊断。牙齿是一种强散射组织，而光声技术可以警 在强散射介质中激发出光声信号；光声信号的振幅和波形携带了牙釉质的光学，力学和声学 属性。为提取这些物理参数的特征，我们将模拟的光声信号投影到小波空间，在不同区间的 小波系数来定性诊断时域信号中有显著变化的物理参量；同时，我们引入小波系数几何矩来 定量量度这些参量的变化。这些参数反映了牙齿的病变状况，可以达到诊断龋牙的目的。 关键词龋牙，光学相干层析，矿密度，拉曼光谱，偏振度，光声光谱，小波变换 i i 光学技术用于龋牙早期诊断的研究 a b s t r a c t o u ra i mi st o d e v e l o pt h r e eo p t i c a ld i a g n o s t i cm e t h o d sf o re a r l yc a r i e s ：o p t i c a lc o h e r e n c e t o m o g r a p h y ( o c t ) a n dr a m a ns p e c t r o s c o p y ( r s ) a l eb a s e do np h o t o ns c a t t e r i n g ；w h i l e p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y ( p a s ) i so nt h ep h o t o na b s o r p t i o n b e c a u s ec a r i e ss t a r tf r o mt h ee n a m e l ， 光学技术用于龋牙早期诊断的研究 t od e t e c tt h ee a r l ys t a i n e dc a r i e s ，f n s t ，w ec o m p a r et h er sa n dp - r so fs o u n da n dc a r i o u st e e t h t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e r ei sn on e wp e a ka n dp e a ks h i f t ；b u tt h e i rp a r a l l e la n dv e r t i c a lr sa r e d i f f e r e n t ，w h i c hc a nb eu s e dt od e t e c tt h ec a r i e sf r o ms o u n dt e e t hu s i n gt h e s er a t i o so f t h ei n t e n s i t ya t 9 5 9 c m 1 h o w e v e r , s o m es t a i n e d t e e t hr e s u l t i n gf r o mi n t r i n s i ca n de x t r i n s i cw i l lg e n e r a t es t r o n g f l o r e s c e n tb a c k g r o u n d t or e s o l v et h i sp r o b l e m , w eo r i g i n a l l ys e p a r a t et h eb a c k g r o u n da n dr a m a n e n a m e ls p e c t r o s c o p yu s i n gw a v e l e tt r a n s f o r m t h em o r ea c c u r a t er e s u l t ss h o wr sc o u l db ea ne a r l y p r a c t i c a ld i a g n o s i ct o o lf o rc a r i e sw h e n i tc o m b i n e sw i t ht h ef i b r e 3 ) s t u d y o nt h ep h a n t o mo fe n a m e lu s i n gr s w e o r i g i n a l l ys t u d yh y d r o x y a p a t i t e ( h a ) ，ap h a n t o m o fe n a m e la n db o n e ，b yr s t h ea i mi st o c h a s et h ec h a n g eo fc o m p o s i t i o n , c o n s t r u c t i o n ，p h a s e so ft h e r m a lc o m p o u n d sw i t ht h es i n t e r i n g 4 p r o c e s s d u et os i n t e r i n g ，t h em e c h a n i c a lo fh a i si m p r o v e d t h e s er e s u l t sw i l ld e v e l o pt h eu s eo f h y d r o x y a p a t i t ea sb i o m a t e r i a lw i d e l y a n di ta l s oh e l p st oc h o o s et h ea p p r o p r i a t et e m p e r a t u r ew h e n ? c a r i o u st e e t ha r ec u r e db yl a s e ri r r a d i a t e d d e t e c t i o no fe a r l yc a r i o u se n a m e lu s i n gp h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y ( p a s ) w e o r i g i n a l l yd e t e c tc a r i e sb yp at e c h n i q u e p at e c h n i q u ec a n i r r a d i a t et h ep as i g n a li nh i g h e r s c a t t e r i n gm e d i as u c h 弱t o o t h t h es i g n a lp r o f i l ec o n t a i n si n f o r m a t i o no ft h eo p t i c a l ，a c o u s t i c a l ，a n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h et e e t h ；s ow et r yt od i s t i n g u i s ht h e s ep a r a m e t e r sf r o mt h em i x e dp a s i g n a lu s i n gw a v e l e tt r a n s f o r m ( w t ) a f t e rd e c o m p o s i n gt h ep as i g n a li n t o w a v e l e ts p a c e ，t h e p a r a m e t e r sc a nb ee x t r a c t e dq u a n t i t a t i v e l yi nd i f f e r e n tw a v e l e ts p a c er e g i o n s t h e nw ec a l c u l a t et h e s e p h y s i c a lp a r a m e t e r sq u a l i t a t i v e l yu s i n gw a v e l e tc o e f f i c i e n t s t h e s ep a r a m e t e r s c a nb e u s e dt o c o m p a r et h en o r m a lt e e t ha n dc a r i e st e e t h k e y w o r d s ： c a r i e s ，o c t ，r s ， m d ，p a s ，d e p o r o l a i z e dr a t i o ，w t i v 光学技术用二f 龋牙早期诊断的研究 目录 摘要i 目录1 第一章绪论4 1 1 光与生物组织的相互作用4 1 2o c t 在龋牙早期诊断上的研究进展6 1 3 拉曼光谱( r s ) 在龋牙早期诊断上的研究进展8 1 4 光声光谱( p a s ) 在龋牙早期诊断上的研究进展1 0 1 5 本文的主要工作及创新之处1 2 第二章o c t 在龋齿早期诊断的定性和定量研究1 8 2 1 引言1 4 2 1 1 产生龋齿的基本概述1 4 2 1 2o c t 技术的优点1 6 2 2o c t 形态学上的定性诊断研究1 7 2 2 1o c t 系统诊断原理1 7 2 2 2 牙釉质的o c t 二维图2 2 2 3o c t 在龋牙早期的定量诊断研究2 3 2 3 1 测量牙龋质矿物密度的方法2 3 2 3 2o c t 测量矿物质密度原理2 5 2 3 3 实验结果与分析2 7 2 3 4 实验结果讨论3 1 2 4 本章小结3 2 光学技术用于龋牙早期诊断的研究 第三章拉曼光谱用于受污染牙齿的早期龋病的诊断研究3 3 3 1引言3 3 3 1 1 拉曼光谱原理3 3 3 1 2 拉曼光谱的重要参数3 3 3 1 3 拉曼光谱的优点3 4 3 2拉曼光谱在龋牙早期诊断的研究3 5 3 2 1 激光拉曼显微技术3 5 3 2 2 实验结果与分析3 6 3 3 偏振拉曼光谱在龋牙早期诊断的研究3 8 3 3 1 实验原理3 8 3 3 2 实验结果与分析4 1 3 4牙齿的拉曼光谱基线消除的研究4 3 、 3 4 1 引言4 2 3 4 2 小波变换消除背景光谱的原理4 5 3 4 3 模拟背景光谱的实验结果4 8 3 4 4 牙齿背景光谱消除的实验结果5 1 3 5 本章小结5 6 第四章牙釉质模拟物的拉曼光谱研究5 7 4 1 引言5 7 4 1 1 羟基磷灰石的结构5 7 4 1 2 羟基磷灰石的性质与特点5 8 4 1 3 研究牙釉质晶体的主要方法5 9 2 光学技术用于龋牙早期诊断的研究 4 2煅烧羟基磷灰石的拉曼光谱研究 4 3 本章小结 第五章光声光谱技术提取牙釉质物理参数的研究6 6 5 1 引言6 6 5 1 1 光声技术原理6 6 5 1 2 光声技术的一些重要参数6 8 5 2 前置模型远场光声信号7 2 5 2 1 均匀微粒子的光声现象7 3 5 2 2 非均匀微粒子的光声现象7 5 5 2 3 远场光声信号表达式7 7 5 3 小波变换提取牙釉质光声信号的特征参数7 9 5 3 1 小波变换定性提取牙釉质光声信号的特征参数7 9 5 3 2 小波变换定量提取牙釉质光声信号的特征参数8 3 5 4 本章小结8 8 第六章总结和展望8 9 6 1 主要工作总结8 9 6 2 主要创新之处8 9 6 3 不足之处9 0 6 4 展望9 0 参考文献9 2 致谢1 0 5 公开发表论文1 0 6 3 1 1 引言 光学技术用于龋牙早期诊断的研究 第一章绪论 随着激光在生物医学应用的迅速发展，光波在生物组织中的传输与分布以及光波尤其 是红光与近红外光( 6 0 0 - 1 3 0 0 n m ) 与生物组织相互作用的问题引起人们的广泛关注。总的 来说，光子与生物组织体发生相互作用，其表现形式一般包括吸收、反射、散射和荧光 等，如图卜1所示。吸收是指光通过生物组织体时由于部分光能转换成热运动或分子 的某种振动从而导致光强度的衰减。未被吸收的光经组织体边界射出，就得到了透射光。 光的散射，是指光子的传播方向发生改变的现象，它分为透射和背向散射。组织体看作是 由亚微米或微米量级尺度的离散颗粒组成1 ，生物组织体对光的强散射性正是源于折射率 的半微观上的不均匀性。当入射光被吸收能量后光波变长的现象称为荧光。荧光是一种很 常见的现象，它可在荧光衰减的时间内被观察。经过组织的吸收和散射，入射光的特性 ( 光强度、相干性、偏振性、方向性等) 有所改变，其改变的程度取决于生物组织结构及入 射光波长。由于疾病造成的这些生物体成分的变化会影响散射吸收的特性，因为其携带了 内部组织的大量信息，所以可以通过测定携带这些结构信息的散射吸收光进行疾病的诊断 和治疗。 龋牙的光学诊断方法口1 ，有传统的x 线片检查和t m r ( 横向x 射线显微照相术) 等。x 线片检查是目前临床上重要的诊断方法之一，但不能用于早期诊断。横向x 射线显微照相 术t m r ( t l a l l s v e r s em i c r o r a d i o g r p h y ) 是定量研究早期龋损的“金标准”。但这是一种破坏 性的研究方法，所以不能被用于临床和活体的研究。定量光敏荧光技术( q u a n t i t a t i v el i g h t i n d u e e d f l u o r e s c e n e e ，q l f ) 和数字化显影光纤透照术( d i g i t a li m a g i n gf i b e r - o p t i c t r a n s i l l u m i n a t i o n ，d i f o t i ) 是得到f d a 认证的早期诊断方法。其中q l f 法是目前公认较 理想的龋损定量方法h 3 。但q l f 有以下不足之处：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；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4 0 的敏感度；不能够提供龋坏的深度和程度等相关信息： 4 光学技术用于龋牙早期诊断的研究 对光滑面龋检测较敏感。在有牙斑，凹凸不平的表面，或其他有机物时，会出现误诊： 不能提供龋坏部位表面的信息。而d i f o t i 仅适用于邻面龋的检测，目前还尚未用于咬 合面龋的诊断中。另外，诊断方法还有超声法、太赫兹波成像技术( t e r a h e r t zi m a g i n g ) 、 阻抗光谱( i m p e d a n c es p e c t r o s c o p y ) 、电导测量( e l e c t r o c o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n t s ) 等等。但 它们均不能用于临床。 本文采用了三种光学方法进行了龋牙的早期诊断研究。即基于光散射的o c t 技 术和r s 技术；基于光吸收的p a s 技术。o c t 和r s 在区分龋牙上具有很好的灵敏度，且可 以与光纤结合，在龋牙早期诊断上具有潜在的临床应用价值。同时，本文用p a s 技术对龋 牙诊断上做了些探索研究。 r c f l e c t i t m o o o 7 魏o s c a m 病i 塔稍如 一un t r a n s m i s s i o n ! 扪一 翮：a l 自嘲l 壤w l 蛾 n 互。 b k 髋融培嘲撼。 o 一参 ! - l 一一一2 1 v 写司i l r - ， n 可0 叫 t r a n s m i s s i o n o u 聊u o “璃；。朔【l c ew i t h 7 u 矽 一：k ， t 嘲c | 掌蹦谢略m l g l 一一! 一! l矗 ， v 矾j ￥v uw 0 粤名 h e a tp r o d a c l i o n o s c a t t e r i n gc o m p o n e n t一a b s o r b i n gc o m p o n e n t - 。i n c i d e n t w a v e一叶一e m i t t e dw a v eo f l o w e re n e r g y ( f l u o r e s c e n c e ) 图1 1 为光束与组织相互作用的示意图 5 光学技术用于龋牙早期诊断的研究 1 2o c t 在龋牙早期诊断上的研究进展 o c t 是近二十年迅速发展起来的一种新型生物组织成像技术。它集激光光学技术， 超灵敏探测技术，精密自动控制和计算机图像处理等技术于一体，能够对人体、生物体进 行无损伤活体检测，获得生物组织内部微观结构的高分辨截面图像，具备组织病理分析所 需的高分辨率，达到微米量级，扫描深度可达3 m m 5 】。 1 2 1o c t 在生物医学上的广泛应用 o c t 概念是1 9 9 1 年在美国麻省理工大学被首次提出，此后其在医学上的应用发展 飞速。主要表现在：1 ) 对于多种疾病诊断、治疗、疗效有很大的优势。如在人眼视网膜 和冠状动脉壁成像、肠胃成像【6 】、多种胃肠道的早期诊断( 如早期的胃炎、胃癌、十二指 肠溃疡、胰腺癌等) 、皮肤疾病检测方面【7 1 和对冠状动脉硬化、心肌梗塞等血管性疾病【8 】 等等。2 ) o c t 可以与其它技术结合，大大拓展了o c t 的应用领域。如与多普勒技术结合。 可以检测高散射介质中的流体速度：皮肤表层的血流速度；亚表层中微血管直径；血流速 度分布等，对疾病的诊断很有帮助1 9 3 ；而频域o c t ( f r e q u e n c y d o m a i no p t i c a lc o h e r e n c e t m o g r a p h y , f d o c t 提高了成像速度；偏振敏感光学相干层析成像( p o l a r i z a t i o n s e n s i t i v e o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，p s o c t ) 将图像分辨率提高达2 - - 3 p m 【1 ；光生理o c t 提 高成像对比度。和差分吸收型光学相干层析成像来减小散射的影响等等；3 ) o c t 是一种， 光学参数无损测量的可行工具，例如：测量生物组织的折射率、双折射特性、吸收系数、 散射系数和衰减系数【1 1 】以及反射率、相位延迟和光轴方向三个参数【1 2 1 。 1 2 2o c t 在龋牙早期诊断上的研究进展 o c t 检测早期龋的原理是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o c t 中龋牙比健康牙齿具有更强的背后散射光，这种特征可 以用来确定龋牙的位置和龋深。自c o l s t o n 等【1 3 】于1 9 9 8 年首次报道用o c t 取得离体猪 前磨牙的牙本质和牙周组织的o c t 图像以来，国外一些学者将其应用于龋牙的早期诊 断取得了很多成果：从离体到在体，从定性到定量，在成像深度和分辨率上都有很大的 发展。具体表现在以下几个方面： 1 ) o c t 图像提供牙齿结构上的信息 6 光学技术用于龋牙早期诊断的研究 o c t 在口腔中的成像深度，硬组织为3m l n ，软组织是1 51 1 1 i i l 【1 4 】。牙釉质的光学散 射系数低于牙本质，导致o c t 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o c t 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、釉牙骨质界线等【l5 1 。e v e r e t t 利用光纤耦合的o c t 系统在体扫描牙齿，得到人牙硬 组织和软组织的图像。其中齿龈的边界，牙齿周边的沟和牙釉质与牙本质的结合线都能 在图像中分辨出来【1 6 】。a m a e c h i 1 7 】等研究证实了o c t 可以准确地发现形成人工龋2 4 小时 以上的早期釉质龋。可以实现体内检测是o c t 的一大优势，2 0 0 3 年a m a e c h i 尝试临床上 的o c t 系统在体成像，可探测到牙釉质和牙本质的分界面：和追踪到牙釉质矿物质的修 复情况【埽】。a z f r e i t a s 用o c t 得到牙齿微结构的三维图像、扫描到1 0 5 0 t x m 的龋洞， 对口腔的健康状况作了定量与定性分析、讨论了龋齿早期发现问题u 9 。 最近在普通o c t 的基础上增加光的偏振原理进行改进，得到的偏振弱相干层析技术 ( p o l a r i z a t i o n s e n s i t i v eo p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，p s - o c t ) 将图像分辨率提高达2 3 岬，并且能够提供较普通o c t 更多的图像信息。p s o c t 基本构成与o c t 相同，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型2 0 1 。b a u m g a r t n e r 等2 0 悃p s o c t 拍摄 成人离体后磨牙颊面釉质白垩斑，p s o c t 图像可显示距釉质表面o 4m i l l 深度内的早期 龋；蹦e d 等【2 1 】在拍摄第三磨牙牙合面窝沟龋时，p s o c t 图像可显示距窝沟底釉质表面 1 - 5m n l 深度内的早期龋；同时在拍摄近中邻面釉质白垩斑时，p s o c t 图像可显示距釉 质表面1m l n 深度内的早期龋。以上的结果说明p s o c t 能够发现极早期的光滑面、咬 合面及邻面釉质龋。 2 ) 测量牙齿光学参数的变化是o c t 实现龋牙早期诊断的一种定量方法 测量光学参数的方法有如准确测量牙齿折射率的变化和测量牙齿反射率的变化：如 m e n g 2 2 1 在体外得到了牙釉质和牙本质折射率不同的分布；a m a e c h ie ta l 认为牙釉质的反 射率在脱矿过程中呈下降趋势是与矿物质的损失有关【2 3 1 。另外，b a e kj h 最近用o c t 成 像技术测量了牙釉质表面的唾液薄膜的光学属型2 4 1 。 3 ) o c t 与其他技术的结合，得到牙釉质的不同角度的信息 7 光学技术用于龋牙早期诊断的研究 l i n p ，i i l gc h o o s m i t h 小组实现了牙齿邻接面的体外早期诊断【2 5 1 ，并结合拉曼光谱技 术定量表征龋齿的矿物成分的变化。接着，用光纤系统实现了在体检测，得到类似的结 果：h i r a s u n ak 用偏振o c t 成像方法结合近红外成像方法的龋牙早期诊断技术【2 6 】等等。 4 ) 国内用于龋牙诊断上的研究 国内o c t 应用于牙齿诊断上的报道不多且都是离体检测，暨南大学o c t 系统观察离体 牙齿的结构 2 7 】，但它所用的离体牙齿为深龋，而不是早期龋牙，最近天津大学用o c t 扫 描到牙齿的三维图像，可以看到牙齿的全貌【2 8 】等等。 总之，o c t 具有成像快速、无损、高分辨率和可与光纤相结合的优点是早期诊断龋牙 的理想工具。 1 3 拉曼光谱皿s ) 在龋牙早期诊断上的研究进展 拉曼光谱是物质结构的最重要指纹图谱之一，在生物医学诊断上具有重要意义。细胞 ， 和组织是由蛋白质、核酸、糖、脂质、辅酶、维生素等成分组成的结构复杂的生命基本单 元，每一种生物分子都有其对应的特征拉曼峰，在组织病变过程中，细胞内各组分的结 构、含量都会发生不同程度的变化。早期的组织病变并不会引起明显的临床症状的医学影 像学的变化，而拉曼光谱却可以在分子水平上揭示病变组织和健康组织之间的差异，通过 一定数量的拉曼光谱的对比研究，从两种差异找出反映改变的特征标志光谱。拉曼光谱可 以对生物材料样品进行测定而不会改变样品的性状，为此应用这项技术对动物组织和细胞 进行研究可用于医学诊断和机理分析提供重要的信息和数据【2 9 】，具有重要的临床意义。 比拉曼光谱具有更好灵敏度的是激光喇曼偏振光谱。由于正常组织与病变组织的各向 异性不相同，它们的偏振特性不一样，因而有不同的喇曼偏振谱。而表征谱线偏振状态的 物理量是谱线的偏振度，且偏振度是判断分子结构的对称性及简振振动模式对称性的一个 重要依据；它可以定量表示分子各向异性的程度。 目前，拉曼光谱在生物医学上的热点主要是癌症上的诊断【3 0 】，尽管它们都是在离体在 观察。但是，拉曼光谱不需要处理样品和可以与光纤相连的特性使研究者对于在体的应 用充满信心。此外，拉曼光谱应用在体外细胞、染色体【3 1 3 2 】的研究，和体内乳腺组织、 8 光学技术用于龋牙早期诊断的研究 动脉粥样硬化组织上的研究【3 3 3 4 】。拉曼光谱不仅可以用于软组织中，也可以在硬组织 ( 如骨头和牙齿) 中激发出强的拉曼信号【3 5 1 。在9 0 年代以前，牙齿的拉曼光谱研究由于 牙釉质中的有机基团产生强的荧光光谱而受到限制。随着消除荧光光谱技术的提高和系 统分辨率的提高，拉曼光谱在牙齿的应用才得到重视。目前，拉曼光谱在龋牙的早期诊 断研究发展上有： 1 ) 拉曼微谱的特征峰研究 拉曼光谱能探测出p 0 4 和c 0 3 不同的特征掣3 6 1 ，从而判断出不同物质之间或病变过 程中不同成分的变化；拉曼谱在牙釉质矿物质的特征峰4 3 l c m 1 ，5 9 0c m 一，1 0 4 3c m 1 上，龋牙比健康牙具有更大的峰强【3 7 】；频移在9 6 0c m 1 的是磷酸根的特征峰，这个p - o 伸缩振动峰与羟基磷灰石相关联。它的强弱代表了在羟基磷灰石中p o 健的振动能量。p o 在频移上有很好的稳定性，因此，它可以用来分析磷酸根浓度的变化【3 8 , 3 9 1 ；这也是利用 磷灰石基团所在峰强的变化来区分健康牙齿与龋牙的原理【删。拉曼光谱用于研究牙釉质中 的钙和氟的结构可以追踪龋牙的修复状况和酸化脱矿过程，对龋牙的治疗和防治有科学参 考依据【4 1 4 2 】。 2 ) 拉曼偏振谱 牙釉质中矿物质的含量在龋牙的早期诊断中是有趣的话题。牙釉质中含有排列整齐的 晶体，且牙釉质的晶体排列具有方向性：当牙釉质受到偏振光激发时，激发的拉曼信号常 存在偏振特性，拉曼强度随着晶体排列方向的改变而改变【4 3 出】。这是h t s u d a 首先观察 到。研究发现：牙釉质中晶体的方向性在龋牙中，晶体排列对称性减少，各向异性值减 少，散射现象增加。因此，在健康牙齿和龋牙中，位于9 5 9 c mj 处的偏振度不相同。这可 用来作为早期龋牙的依据【4 5 舶】。l 一p c h o o s m i t h 研发出拉曼偏振光谱与光纤相耦合，得 到平行和垂直于牙釉质的偏振谱，探测时间1 秒1 0 次，激光能量9 0 m w 4 7 1 。实现早期龋 牙的在体诊断。l e r o y ，g 用偏振拉曼光谱研究牙齿的成分和结构的关系，并给出了磷灰石 结构的新描述【4 引。龋牙的早期过程改变晶体方向，而脱矿引起散射光的增强，因此，脱矿 产生的晶体排列结构的混乱使得背景荧光的增强【4 9 , s o l 。 3 ) 点扫描的拉曼光谱成像能区分出健康牙齿和龋牙 9 光学技术用于龋牙早期诊断的研究 c c d 的探测器大大加快了扫描速度，实现实时的光谱成像。拉曼图与样品的显微图 结果相符表明拉曼微谱图能高分辨率的提高样品的微结构5 1 ，5 2 1 。 4 ) 拉曼光谱与其它技术的结合 拉曼系统与光纤相接，有望实现在体探测j a s o nt m o t z 首次用光纤探针采集到实时 拉曼光谱，采样时间不2 s 【5 3 1 。a l e x 利用光纤耦合拉曼光谱系统测量牙齿的偏振度来实现 龋牙的早期诊断【5 4 1 。拉曼光谱与o c t ，与红外光谱和拉曼图结合是龋牙早期诊断的一种 有力的诊断工具。由于o c t 对于钙化不全的牙齿的产生于龋牙一样的散射光而引起较大 的误诊率，而拉曼光谱的诊断是基于它们的化学成分，诊断结果比较客观【3 们。 拉曼光谱的 诊断正确率达到9 8 。在安全、无损和早期诊断准确性上有明显优势。l p c h o o s m i t h 正在努力研发出微型探测器把o c t 和r s 两种结合起来。 拉曼光谱在国内龋牙诊断的研究的报道很少：如武汉大学证明了用过氧化氢可以减少 牙釉质中的有机质，从而降低荧光背景强度【5 5 】等等。 总之，对于晶体有序排列的牙釉质，和龋病后脱矿引起这种有序性被打破的特性，必 然会引起偏振拉曼光谱的改变，又由于它可以与光纤相连。因此，偏振拉曼光谱可以是一 个临床诊断龋牙的早期工具。 1 4 光声光谱( p a s ) 在龋牙早期诊断上的研究进展 当光辐照到物质上时，物质吸收光子，从而在物质内部形成局域的热源，并使物质膨 胀；当光强受到调制时，物质由于伸缩效应而产生声波，这种效应称为光声效应。光致声 波是产生声波的一种新技术，a l e x a n d e rg r a h a mb e l l 最初是从固体物质探测到声波，随 后，j o h nt y n d a l l 和w i l h e l mr o e n t g e l l 分别从液体和气体中证实了光声效应。而光声技术 生物医学领域成为研究热点是在光声效应发现一个多世纪后。这主要体现在下列两方面： 1 4 1 生物医学光声成像技术 光声技术兼有超声高分辨率与光学强对比性两大优点被成功应用于组织成像，并成 为一种极具发展潜力的新成像方式【5 6 1 。脉冲激光激发的光声波形是时间的函数，而对于光 1 0 截面。a l e x a n d e ra 用时间分辨光声技术得到不同深度组织的光声波【6 5 1 ，通过拟合在某一 深度的光声波的伸缩波的指数曲线即得光衰减系数；在样品表面处的光声波伸缩波拟合的 指数曲线为光吸收系数。当短脉冲激光激发下，( 短脉冲光源意味着光脉冲的持续时间比 组织中吸收体的热扩散和压力扩散的时间要小的多) 有效衰减系数定义为“。i f = x 3 i - t 。( p a + p 。) 脚】。因此，可以通过时间分辨光声技术求出光学参数。当散射系数远大于吸收系数时，光 束直径和样品厚度远大于有效光学路径，产生的光声源为平面波形，这正是生物组织中的 模型。光声信号中的伸缩波取决于光吸收系数大小，这正是光声光谱( p a s ) 的应用原理。 目前主要应用于血糖检测6 7 】和血红蛋白浓度及血氧饱和度的检测【6 8 】。 p a s 在牙齿方面的应用尚处于研究初步阶段：g r z e g o r z 介绍了在强散射介质中( 牙釉 质) 及鸡肉的光声波形与激光脉冲数目的关系。振幅随着脉冲数目的增加而衰减【6 9 1 。k i m 比较了健康牙齿和龋牙激发的光声信号【7 0 1 ；y a s s e r 和d a v i d 研究了牙齿中激光激发的光声 响应 7 1 , 7 2 】；a s h r a f 比较了不同牙齿的光声信号和光声响应 7 3 1 。最近，o l i v e r t 7 4 】用光声技术 测量了与牙齿矿物质相干量弹性模量等等。 光声技术在国内起步较早，发展较快，但与国外一样，仍处于试验阶段，未真正应用 于临床【7 5 1 。而且，这些应用都是基于光学参数。光声信号的波形取决于两方面：被激发区 1 1 光学技术用于龋牙早期诊断的研究 的物理属性和光激发脉冲的属性。对于后者，已经有大量的文献报道【7 6 7 7 1 。但对于样品物 理其它属性如声速和密度，却极少有人研究。 总之，这种结合了光学和声学的优势的技术已展现了其它技术所未有的一些功能：它 具有获取较深的病灶的生化信息的光学、声学和力学方面的能力。 1 5 本文的主要工作及创新之处 本论文研究了两种散射光学技术和一种吸收光学技术在早期龋牙诊断上的应用研究。 论文分为六章，具体安排如下： 第一章概述了光子在生物组织中的传播情况；综述了光学散射层析成像技术、拉曼散 射光谱技术和光声光谱技术在牙齿早期诊断的研究进展。 第二章简述了龋齿的龋坏机理和光学层析成像技术( o c t ) 的基本原理；阐述了o c t 测量矿物质密度的方法；探讨o c t 对于龋牙和健康牙齿在形态学上的区分度；和研究了 峰 用牙釉质矿物质的密度来定量诊断早期龋牙。 。 第三章简述了拉曼光谱的基本理论和小波变换多分辨分频原理；比较了健康牙齿和 龋齿的拉曼微谱；研究了用偏振拉曼光谱在9 5 9 c m 1 处的偏振度定量区分龋牙和健康牙；唪 并把这种技术应用于受到污染的牙齿。结果表明：用小波变换多分辨原理对拉曼信号进行 分频操作后可以去除背景和噪音的目的，提高了诊断的准确率。 第四章简述了牙釉质的模拟物羟基磷灰石的结构，成分和目前研究羟基磷灰石 的方法；用拉曼光谱研究了煅烧羟基磷灰石过程中它的相，成分和结构的变化情况。 第五章概述了短脉冲激光激发光声信号的理论；建立单层光吸收体光声信号的探测 模型；利用小波变换的多分辨分频特点，对具有时间分辨特点的光声信号分解，在小波域 中的不同时域段提取信号中所含的牙齿物理属性参数的研究。模拟结果表明：光声光谱 技术可以用于龋牙的定量诊断。 第六章是全文总结，归纳本论文的主要研究内容和结论，以及对未来工作的展望。 本论文主要创新性的研究成果包括： 1 2 光学技术用于龋牙早期诊断的研究 1 首次用o c t 测量到牙釉质的力学参数- 矿物质密度，从而使o c t 从形态学的图像 主观描述到参数的客观定量标定，提高了o c t 在龋牙早期诊断的准确性。 2 首次用小波变换去除拉曼光谱中伴随的荧光背景光谱。牙齿极容易受到污染，污染后 的拉曼谱峰被强的背景光谱所掩盖，从而使得测量到的偏振度不准确。用小波变换去 除受污染的牙釉质的背景光谱后，准确度大大增加。 3 我们首次用拉曼光谱技术分析了煅烧后的羟基磷灰石的相，结构和成分的变化。由于 牙釉质的主要矿物成分是羟基磷灰石，这有利于提高材料的力学性能研究和激光治愈 牙齿的研究。 4 我们首次探索用光声光谱技术进行龋牙的早期诊断。光声信号携带生物组织光学、力 学、声学和热学性质。这些参数可以通过小波变换的方法把各参数投影到不同的小波 域中，在不同小波域中提取出来，从而可以诊断牙齿的属性。并进一步引入几何矩把 各参数的变化定量描述出来。 1 3 光学技术用于龋牙早期诊断的研究 第二章o c t 在龋齿早期诊断的定性和定量研究 2 1 引言 龋齿又称龋病，俗称虫牙或蛀牙，是由于口腔内的细菌菌斑侵蚀作用和牙齿本身的 缺陷造成的，是牙齿硬组织被龋蚀所致。龋病是一种高发性传染病，它严重地危害人类的 健康。为及早发现和防治龋病，本章采用o c t 技术对早期龋的定性和定量诊断研究。 2 1 1 产生龋齿基本概述 1 ) 牙釉质的结构和成分 整个牙齿是由牙冠、牙根及牙颈三部分组成，如图2 1 左图所示。把牙齿纵型剖开来 观察，牙齿是由牙釉质( 俗称珐琅质) 、牙本质和牙骨质三层硬组织，及最里层的牙髓软组 织构成。图2 1 右图斜线区为牙釉质，黑色为龋病区。早期龋病都是从牙釉质开始的。牙 釉质又称珐琅质，是构成牙冠表层、半透明的白色硬组织，位于牙冠表层，是牙体组织中 高度钙化的最坚硬的组织，牙釉质大约由9 5 ( 按重量) 的羟基磷灰石、4 的水及l 的有 机物构成的一种矿物质【l 】。它的主要矿物质是羟基磷灰石( h a p ) 晶体。 1 4 光学技术用于龋牙早期诊断的研究 图2 1 牙齿的结构图( 左) 、早期龋变图( 右) 早期龋白垩斑呈多孔结构，如图2 - 2 所剥2 】：包括四层：第一层是表层，表面完整，矿 化程度很好。下面是第二层，为多孔结构( 2 5 - 5 0 是空隙) ，在四层中占最大比例。第 三层是暗层，微孔结构，棱柱条纹横向排列，不能透光。最深的一层是半透明层。 图2 - 2 早期龋白垩斑的多孔结构示意图 磅 2 )产生龋齿的原因 龋病的形成主要是由于牙釉质表面酸性超过临界值。而矿则具有攻击性，它首先攻 击m 9 2 + 、( c 0 3 ) 2 。等离子所在的比较薄弱的晶体部位，涉及的化学过程为： l5 光学技术用于龋牙早期诊断的研究 c o3 z 。+ h + - * h c o ；h c o 弘+ 旷* h 2 c o3 ；h 2 c o3hc o2 t + i - 1 2 0 c 0 2 气体的释出，导致平衡向右进行。h + 的作用可导致c a 2 + 、o h 、p o4 、f 等先后从 晶格中移出并扩散至晶体间的液相环境中，从而破坏了晶格的完整性，造成牙釉质的脱矿。 同时，羟基磷灰石的溶解性增强： c a l o ( p 0 4 )