（光学工程专业论文）基于荧光效应的龋齿检测理论和实验研究.pdf

浙江人学硕上学位论文摘要 摘要 龋齿一直是危害人类健康的重要疾病。2 0 世纪以来，随着物质生活水平的 提高，人们饮食习惯和结构的改变，牙齿龋变的范围越来越大，严重危害人类 健康。目前龋病已经被世界卫生组织列为全球性重点防治的三大疾病之一。因 此，有效的龋病预防、早期探测和治疗正成为人类越来越关注的一个课题。 临床上通过机械、电学等多学科相结合的检测手段，对早期龋病的探测进 行了研究，在该领域取得了很多长足的进展。但是，不容乐观的口腔健康现状 对早期龋齿检测提出更高的要求，光学方法进行早期龋齿检测的手段因其多方 面良好的优点正越来越受到研究者的重视。论文围绕光学方法在早期龋齿检测 中的应用，详细介绍探讨了基于牙齿荧光效应探测龋齿的理论和实验方法。 第一章系统论述了目前应用比较广泛的龋齿检测光学技术。对每个技术路 线进行详细介绍，对各个生物机理进行深入探讨。同时简单介绍了牙齿结构及 一些龋变的基础性理论。 作为生物组织光学范畴的研究论文，论文第二章介绍了生物组织光传输理 论和其中的散射、吸收特性，重点介绍生物组织的荧光效应和荧光光谱的基础 性概念。并对描述以上特性的光学参数进行介绍。同时，对牙齿的荧光特性做 了介绍。 第三章详细论述了蒙特卡罗算法的起源、原理、相关步骤，给出仿真模型。 通过设置模型的吸收系数、散射系数、折射率和荧光量子效率等光学参数，完 成了基于蒙特卡罗算法的牙齿模型荧光强度仿真研究，分别得到健康组织和龋 变组织不同的荧光分布图。同时利用t r a c e p r o 成熟的荧光仿真功能验证了仿真 过程的科学合理性。 第四章设计实验系统，分别利用激光器和氙灯测量健康和不同病变程度牙 齿样本的二维和三维荧光光谱。实验结论表明随着病变程度的加深，牙齿组织 的组成物质发生变化，二维荧光光谱在5 6 0 n r n 处的吸收峰会有明显的变化，可 以定性判断牙齿是否发生龋变；三维光谱在4 3 0 4 6 0 n r n 波段内的荧光能量增 加，相对分布比重变大，而在3 9 0 4 3 5 n r n 内的能量相对分布比重减小。不同病 浙江大学顶- l 学位论文 摘要 变牙齿在光谱特性上的明显差异，为基于荧光光谱特性探测龋齿提供系统的论 证和支持。 第五章主要结合目前研究现状对论文进行了全面的总结并对未来工作提 出一点展望。 关键词：龋齿探测，蒙特卡罗，荧光光强，荧光光谱 浙江火学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t d e n t a lc a r i e sh a sa l w a y sb e e na ni m p o r t a n td i s e a s ew h i c hi sh a r m f u lt oh u m a nh e a l t h w i t h t h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d sa n dt h ec h a n g eo fp e o p l e sd i e th a b i t sa n ds t r u c t u r e ，t h e s c o p eo f d e n t a lc a r i e sh a sb e c o m em o r ea n dm o r ew i d ea n dt h et h r e a to ft h ed i s e a s eh a sb e c o m e m o r ea n dm o r es e r i o u ss i n c et h e2 0 t hc e n t u r y n o w ，d e n t a lc a r i e sh a sb e e nc l a s s i f i e da so n e o ft h et h r e ed i s e a s e sw h i c hs h o u l db ep r e v e n t e da n dt r e a t e da sag l o b a lf o c u sb yt h ew o r l d h e a l t ho r g a n i z a t i o n t h u s ，a ne f f e c t i v e c a r i e sp r e v e n t i o n ，e a r l yd e t e c t i o na n dt r e a t m e n ti s b e c o m i n gi n c r e a s i n g l yc o n c e r n e da b o u ta sah u m a ni s s u e c l i n i c a l l y , d e t e c t i o nm e t h o d sf o re a r l yd e t e c t i o no fd e n t a lc a r i e sh a sb e e ns t u d i e db ya m u l t i d i s c i p l i n a r yc o m b i n a t i o no fm e c h a n i c a l ，e l e c t r i c a la n do t h e rs u b j e c t s a tp r e s e n tal o to f s i g n i f i c a n tp r o g r e s sh a sb e e nm a d ei nt h i sa r e a h o w e v e qh i g h e rd e m a n d st oe a r l yd e t e c t i o na r e a s k e df o rb e c a u s et h es e r i o u ss t a t u so fo r a lh e a l t h o p t i c a lm e t h o d sf o re a r l yc a r i e sd e t e c t i o n a r eb e i n gp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb ym a n yr e s e a r c h e r sb e c a u s e o ft h e i ra d v a n t a g e s a r o u n dt h ea p p l i c a t i o no fo p t i c a lm e t h o d si nt h ed e t e c t i o no fd e n t a lc a r i e s ，t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lm e t h o d sb a s e do nf l u o r e s c e n c ee f f e c t sa r ed i s c u s s e di nd e t a i li nt h i sp a p e r o p t i c a lc a r i e sd e t e c t i o nt e c h n o l o g i e sw h i c ha r ea p p l i e dw i d e l ya r ed i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l y i nt h ef i r s tc h a p t e r e a c ht e c h n o l o g yr o u t ei si n t r o d u c e di nd e t a i la n dv a r i o u sb i o l o g i c a l m e c h a n i s mi sd e s c r i b e dd e e p l y a tt h es a m et i m e ，ab r i e fi n t r o d u c t i o no nt o o t hs t r u c t u r ea n d s o m eb a s i ct h e o r yo ft h ed e n t a lc a r i e sc h a n g ea r eg i v e n a sar e s e a r c ht o p i ci nb i o l o g i c a lt i s s u eo p t i c a la r e a ，t h eb i o t i s s u eo p t i c a lt r a n s m i s s i o n t h e o r ya n ds c a t t e r i n g ，a b s o r p t i o np r o p e r t ya r ei n t r o d u c e di nt h es e c o n dc h a p t e r , b e s i d e s ，o p t i c a l p a r a m e t e r sw h i c hd e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i c sa b o v ea r ed e f i n e d t h ef l u o r e s c e n c ee f f e c t so f b i o l o g i c a lt i s s u ea n dt h eb a s i cc o n c e p to ff l u o r e s c e n c es p e c t r aa r ef o c u s e d m e a n w h i l e ，t h e f l u o r e s c e n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft e e t hi si n t r o d u c e d t h eo r i g i n ，p r i n c i p l ea n dr e l e v a n ts t e p so ft h em o n t ec a r l oa l g o r i t h ma r ed i s c u s s e di n d e t a i li nt h et h i r dc h a p t e r ，b e s i d e st h es i m u l a t i o nm o d e li sg i v e n b ys e t t i n gt h ea b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t ，s c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t ，r e f r a c t i v ei n d e xa n df l u o r e s c e n c eq u a n t u me f f i c i e n c yo ft h e m o d e l ，t h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t ys i m u l a t i o ns t u d yo fd e n t a lm o d e l sb a s e do nt h ea l g o r i t h m c a l l e dm o n t ec a r l oi sc o m p l e t e d d i f f e r e n tf l u o r e s c e n c ed i s t r i b u t i o np h o t o sb e t w e e nh e a l t h y v 浙江人学硕士学位论文 英文摘要 o r g a n i z a t i o n sa n dd i f f e r e n td e c a yp r o f i l e so n e sa r eo b t a i n e dr e s p e c t i v e l y a tl a s t ，t h er a t i o n a l i t y i sv e r i f i e dw i t ht h ef l u o r e s c e n c es i m u l a t i o nf u n c t i o no f t r a c e p r o i n c h a p t e rf o u r ,e x p e r i m e n t a l s y s t e m s a r e d e s i g n e d ，t w o d i m e n s i o n a l a n d t h r e e d i m e n s i o n a lf l u o r e s c e n c es p e c t r ao fd i f f e r e n tp a t h o l o g i c a lt o o t hs a m p l e sa r em e a s u r e d w i t hl a s e r sa n dx e n o nl a m pr e s p e c t i v e l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tp h y s i c a lc h a n g e si nt h e c o m p o s i t i o no ft h eo r g a n i z a t i o nh a p p e n sw i t ht h ed e e p e n i n go fp a t h o l o g i c a lc h a n g e si nt h et e e t h ， t h ea b s o r p t i o np e a ko ft w o d i m e n s i o n a lf l u o r e s c e n c es p e c t r ao fi nt h e5 6 0 n mc h a n g e s ，w h i c h c o u l db ec h a r a c t e r i z e dt od e t e r m i n ew h e t h e rd e n t a lc a r i e sc h a n g e so c c u r r e d t h ef l u o r e s c e n c e e n e r g yo ft h r e e d i m e n s i o n a ls p e c t r u mi nt h e4 3 0 4 6 0 n mb a n di n c r e a s e s ，i no t h e rw o r d s ，t h e r e l a t i v ed i s t r i b u t i o np r o p o r t i o nb e c o m e sl a r g e r , w h i l et h er e l a t i v ed i s t r i b u t i o no fe n e r g yi nt h e 3 9 0 4 3 5 n mi s r e d u c e d t h e r e f o r e ，d e t e c t i o no fd e n t a lc a r i e sw h i c hi sb a s e do nf l u o r e s c e n c e s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c si sd e m o n s t r a t e da n ds u p p o r t e d ac o m p r e h e n s i v es u m m a r yo ft h ec u r r e n ts t u d ya n df u t u r ew o r kp r o s p e c t sa r em a i n l y r e l a t e di nc h a p t e rf i v e k e y w o r d s ：c a r i e sd e t e c t i o n ，m o n t ec a r l o ，f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t y , f l u o r e s c e n c es p e c t r a 浙江大学硕十学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿叁堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：砂多窍 签字日期： 矽年：f 月z t n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂 有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 矽弼 翩虢材未扒 签字日期：姊年弓月，厂日签字日期：秒r 6 年弓月7r 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 于叫 凼木 产一豸磊蜀 运函| 辱哆 电话：| 多如z l | 鼻争 雠编： 口“ 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 本论文能够顺利完成，首先要感谢我的指导老师林斌教授。将近三年的学 习生活中，林老师定时对我的学习工作情况检查督导。遇到问题，他都会从百 忙之中抽出时间非常耐心地进行详细指导，不厌其烦地答惑答疑，循循善诱启 发我进行独立思考。课题开始以后，从理论和实验项目的展开，到开题再到最 后论文的定稿，林老师自始至终给予我悉心的指导和帮助。他渊博的知识、活 跃的思维、丰富的科研经验、一丝不苟的工作作风和平易近人、乐观大度的处 事态度给我留下了深刻的印象，并将使我终身受益。可以说三年来我的每一次 进步，都离不开林老师的悉心培养和帮助。生活上林老师也给予了无微不至的 关怀，在做人做事等人生成长的许多方面老师也给予了深刻的教导与启迪。衷 心感谢恩师的培养和关怀。 感谢曹向群教授的指导和帮助。曹老师主持实验室日常工作，在论文初期 确定方向和论文写作过程中时，曹老师给了很大的鼓励和学术上的指导。同时， 曹老师认认真真做事做学问的态度和他无私奉献老骥伏枥的精神深深激励着 我。在此谨向他致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 感谢戚巽骏、陈浙泊、金伟等师兄的关怀和帮助；特别感谢陈庆光师兄在 科研及生活上的指导和帮助，课题刚展开时，研究基础比较薄弱，师兄用他一 丝不苟的学习和研究态度完成了很多铺垫性工作，在他指导下完成的工作对本 论文的顺利完成至关重要，同时在论文的写作过程中，师兄也给与了很大的支 持，长期以来与他一起在学术和做人方面的探讨，使我受益匪浅，在此深表感 谢；感谢金芳师姐的帮助，她在论文方面的研究工作为我顺利融入课题和完成 本论文奠定了良好基础；感谢杨静、张文涛同学，同窗三年来与他们在学习和 生活上的共同经历让我们结下了深厚的友谊，相互之间的讨论给了我莫大启 迪；感谢宋继东、吴琼、刘大海、沈焕波、王辉、林永涛、卢颖飞、郝丽芳等 师弟师妹给实验室带来了新鲜的气息和活跃的氛围。 衷心感谢浙江大学光电系各位老师的辛勤培养，感谢我的室友以及在社团 共事的同学，他们让我度过了一个丰富多彩的研究生生活。 浙江大学硕上学位论文 致谢 境。 感谢工程中心郭师傅夫妇给我们创造了干净整洁的实验室学习和生活环 最后，由衷地感谢我的家人，他们给了我最无私的关心和支持，使得我在 人生道路上能够自信前进。感谢父母二十多年来对我的无私付出；感谢女友两 年来的陪伴和鼓励。我永远爱你们! 再一次向所有帮助和关心过我的人表达由衷的感谢和真诚的祝福! 王守涛 2 0 1 0 年1 月于浙江大学求是园 浙江人学硕_ l 学位论文第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 龋齿是由多种因素导致的牙齿硬组织进行性病变，表现为无机质的脱矿和 有机质的分解。其发病率高、分布广，是口腔主要的常见病，严重危害人类的 健康，已被世界卫生组织列为除心血管疾病、恶性肿瘤之外的世界第三大非传 染性重点防治疾病。我国的龋病流行病学调查显示，在2 0 世纪8 0 年代之前的 4 0 年间，龋病流行情况平稳，无显著上升趋势。2 0 0 7 年，由卫生部公布的第 三次全国口腔健康流行病学抽样调查结果显示：我国5 岁儿童乳牙龋病的患病 率为6 6 o ，1 2 岁儿童恒牙龋病的患病率为2 8 9 ，3 5 4 4 岁中年人龋病患病 率为8 8 1 ，6 5 7 4 岁老年人龋病患病率为9 8 4 。资料表明：与2 0 世纪8 0 年代比较，9 0 年代以后患龋率略有上升，其中青少年上升幅度较显著，值得注 意的是，农村青少年的龋患上升速度超过城市，这些趋势应引起重视。 不容乐观的口腔健康现状对早期龋齿检测提出更高的要求。传统的龋齿检 测方法主要有视诊、探诊和x 线片三种。牙科视诊检测方法主观性强，结果可 靠性差；探针检测龋齿易损害牙釉质，影响牙齿的自愈能力，诊断结果取决于 医生的主观判断，缺乏客观性，目前该方法在有些国家已被禁止；利用x 线片 的方法可以客观评价病变情况，但该诊断方法由于具有放射性，不可长期重复 使用，限制了其临床应用。而且，上述三种方法只能对龋损较严重的情况做出 判断，此时的龋损已处于无法逆转的状况，无法通过再矿化方法对其修复。 随着医疗、光电检测和计算机技术的突飞猛进，跨领域的交叉研究具有广 阔的应用前景。以此为背景，将光学和生物医疗技术结合起来的生物医学光子 学正成为二十一世纪最具活力的学科之一，这一发展趋势对光学方法探测和治 疗龋齿的发展奠定了学科基础，起到巨大的推动作用。 浙 学碗学位论文 第一i 绪论 1 2 牙齿的结构及龋变 1 2 1 牙齿结构 从牙齿的剖面来看，牙体主要由牙釉质、牙本质，牙骨质和牙髓四部分组 成，如图1 1 所示： 牙龈 牙搏骨 牙釉质 牙本厢 牙髓 - 爱量虞 根管 牙周膜 根尖孔 田l - i 牙齿剖面结构囤 牙釉质( e n a m e l ) 是由无数密集的釉柱和少量柱同质组合而成。是人体中 最硬的组织，覆盖在牙冠表面，呈乳白色、略透明、质坚硬，能耐受强大的嚼 力。主要成分是磷酸钙、碳酸钙等。有机物成分仅占很少量。 牙本质( d e n t i n ) 是构成牙齿的主体部分，由基质和牙本质小管组成，牙 本质小管中有来自遣牙本质细胞的细胞突，藉此以进行营养代射，牙本质钙化 程度和硬度比牙釉质稍低，色淡黄，不透明。无机盐类约7 0 ，主要为羟基磷 灰石，舍磷酸钙等，有机物约占3 0 ，主要是肢厚蛋白。 牙骨质( c e m e n t x r a ) 是包绕在牙根表面一薄层的骨样组织。其营养主要 来自牙周膜，并借牙周膜纤维与牙槽骨紧密相接。受牙根部炎症的影响，牙骨 质可以发生吸收或增生，甚至与周围骨组织呈骨性粘连。 牙髓( p u l p ) 牙髓组织位于牙齿内部的牙髓腔内。牙髓腔的外形与牙体形 态大致相似，称髓室，牙根部髓腔较细小，称根管，根尖部有小孔，称根尖孔。 牙髓组织主要包含神经、血管，淋巴和结缔组织，还有排列在牙髓外周造牙本 河园 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 质细胞，其作用是制造牙本质。当牙冠某一部位有龋或其它病损时，可在相应 的髓腔内壁形成一层牙本质，称为修复性牙本质，以补偿该部的牙冠厚度，称 为牙髓的保护性反应。 1 2 2 牙齿龋变 2 0 世纪5 0 6 0 年代，随着龋病微生物学、免疫学、生物化学的发展，以 及对龋病超微结构观察的不断深入和人工龋模型的建立，对龋病的认识有了很 大进步。在此背景下，6 0 年代初，k e y e s 提出了三联因素学说( t h r e ed r i m a r v f a c t o r st h e o r y ) 。其主要观点为，龋病是由细菌、食物、宿主三个主要因素相互 作用产生的，即龋病发生要求有v i 腔致龋茵群的作用、蔗糖等适宜底物、敏 感的宿主，在三种因素并存的前提下龋病才有可能发生。目前权威的观点认为 认为，龋病是由多种复杂因素所致的疾病，但细菌、食物、宿主三大因素是必 不可少的。 根据龋病的病变深度，龋病可分为可分为浅龋、中龋、深龋三类。浅龋包 括冠部釉质龋和根部牙骨质、牙本质龋，一般无准确的量值，表现为点隙窝沟、 平滑面上有黄棕、黑褐色色素沉着或出现白垩色斑块，无明显龋洞，探针检查 有粗糙感，患者一般无主观症状。中龋为龋病从釉质进展到牙本质浅层，由于 牙本质无机盐含量低于釉质，在结构上又存在牙本质小管，故病变进展较快， 此时牙齿结构被破坏，龋洞形成。检查见中等深度的龋洞，内含棕褐色龋坏牙 本质，冷、热、酸，甜刺激均可引起患者激发痛，当刺激去除疼痛感可消失。 深龋为病变进展到牙本质深层，有深龋洞形成，洞底仅遗留薄层牙本质，由于 病变接近牙髓，牙髓组织可能出现病变，或伴有修复性牙本质形成。激发痛更 加明显，或由于进食时食物嵌入龋洞引起疼痛。 1 3 龋齿检测光学技术简介 在龋齿防治诊断领域，国外发展的创新性和成熟度上步伐较大，印第安纳 大学牙科学院、美国纽约大学、中佛罗里达大学、加州大学、英国曼彻斯特大 学等很多著名大学的教授都致力于这方面的研究。国内近年来的发展速度也很 快，尤其是一些重点大学的附属医学院，如华西口腔医学院、同济大学、天津 浙江大学硕学位论文第一乖绪论 大学菩都在进行相关的研究 根据光与物质相互作用的机理，目前已研发出的应用于龋齿检测领域的光 学技术包括：定量光导荧光技术q l f ( q u a n t i t a t i v el i g h t - i n d u c e df l u o r e s c e n c e ) 激光荧光龋齿检测技术( d i a g n o d e n 0 、数字光纤显徽透照术d i f o t i ( d i g i t a l i m a 百n gf i b e r - o p t i et r a n s i l l u m i n a t i o n l 、偏振敏感光学相干层析术p s o c t ( p o l a r i z a t i o ns 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 ) 和偏振拉曼光谱技术p r s ( p o l a r i z a t i o n r a l n a k qs p e e t r o s c o p y ) 等“1 。下面搏对各种方法做详细介绍。 1 3 1 定量光导荧光技术 定量光导荧光技术q l f ，是利用牙釉质矿物质( 主要是羟基磷灰石) 在一 定波长光照下的光致荧光原理，龋损导致病变组织的散射系数增大，荧光在健 康组织和病变组织体出射表面呈现不同的光强空间分布，通过对荧光强度的成 像分析，可以实现龋齿的检测并对病变程度进行定量化描述的技术。在o l f 荧光照片中，正常的釉质表现为高亮度的黄绿色荧光，而包括龋损区在内的脱 矿区域则表现为明显的暗区。牙体脱矿越明显，则该区发出的荧光强度越弱， 其相关系数r = 07 3 08 6 澈技术由荷兰i n s l m k t o r r e s e a r c hs y s t e m 公司在1 9 9 4 年研制成功。 其工作原理如图1 - 2 所示： 囤1 - 2 q l f 工作原理 用蓝光照射时，光线穿过透明的牙釉质层，引起任意许多方向上的荧光 浙江大学硕仁学位论文第一章绪论 早期龋损使牙釉质的透明度降低，散射系数增大，光线的吸收量增加，激发的 荧光减少；病变区域在荧光图像上显示为一个暗区。 光源通过滤光片( a = 3 7 0 n m ) 后获取的激发光经光纤传导入射到牙齿样 本上，激发后的荧光经透镜收集成像到光电探测器( c c d 或c o m s ) 上，并 在探测器前放置高通滤光片( a 5 2 0 n m ) 以排除入射光和杂散光的干扰，提高信 噪比。对探测到的图像进行分析，获得描述龋损程度的三个参数：a f ，a ，a q 。 ，指病损区域荧光损失量的平均值，a 为病损区面积。如果某区域的荧光损 失量大于正常组织荧光值的5 ，则认为该区域为病损区。a q 为总荧光损失量， 数值为灯与么的乘积。然后利用相关软件计算可以定量描述龋齿的病变程度 d 。系统图如图1 3 所示： 图卜3q l f 系统图 当前，q l f 技术对确诊光滑面和邻接面早期病损具有高度的敏感性和特异 性，对牙齿无机物变化的相关性和深度方向上的龋齿检测效果也很好。而且， 通过对采集荧光图像的伪彩表示，与患者具有较好的交互性。该技术是得到美 国食品药物检查局( f d a ：f o o da n dd r u ga d m i n i s t r a t o r ) 认证的两种早期龋齿检 测技术之一。作为一种有效的研究手段，该方法在相关的口腔产品开发领域也 有广泛应用，近年来的文献已有相关报道。 1 3 2 激光龋齿诊断仪 激光龋齿诊断仪d i a g n o d e n t 是德国k a v o 公司开发的仪器，利用牙齿在 病变过程中形成的菌斑在红光激发下的荧光作用。系统通过对采集荧光强度定 量化的方式，实现对龋损程度的描述。 浙江大学硕卜学位论文第章绪论 基本原理图如图1 4 ： 滤波片 滤波片 声音信号 牙齿样品 l e d 图1 - 4 l e d 发出波长为6 5 5 n m 的光， 示波器 数字显示 d i a g n o d e n t 技术的原理图 强度一般在l m w 以下，经中心光纤传输到 探头顶端，直接照射在牙齿上。激光穿透牙体组织，被牙齿中的有机物和无机 物吸收，并重新激发出6 8 0 n m 的荧光。在牙齿有病变的地方，侵蚀性细菌增多， 相应细菌产物特别是卟啉类化合物也会增多，该物质的存在会导致某些波长的 激发荧光增强，同时荧光的强度与光的波长和牙齿固体组织的结构和状态有 关。中心光纤周围的其他光纤用来收集牙体固体组织激发的荧光，反射光和环 境光被专用的滤波片滤掉。收集的荧光强度可以转化成声音信号，也可以通过 电子处理以数字的形式显示出来。由于红光有较强的穿透力，可以探测较深区 域的龋病，深度可达2 m m 1 。 该方法实施过程可以利用两种光纤断面，一种是锥形的，用于检测牙齿裂 缝，可以对胎面窝沟的每一个点进行检测，可以判定任意点的龋损程度，有利 于对不同位点的龋损程度进行精确的检测；一种是平的，用于检测牙齿表面的 病变。在临床龋齿检测中，这种方法无论在分辨率还是诊断正确率上都远远高 于传统目视诊断方式。与早期龋齿检测金标准的灵敏度、特异性相关系数分别 为o 7 5 、0 9 6 【5 1 ，相对于q l f ，这种方法探测深度大，对牙齿的邻接面诊断有 更好的效果，是一种很具发展前途的诊断仪器。 1 3 3 数字光纤显微透射技术 数字光纤显微透射技术( d i f o t i ) 是利用光在组织体传输过程中的散射机 浙江大学硕上学位论文第一章绪论 理，在透射面获取透过组织体的光强相对分布图，实现对龋齿情况进行诊断的 方法。 利用光的透射性质进行龋齿检测是近三十年来的发展趋势。1 9 8 1 年， p e l t o l a 和w o l f 提出了将红外光用导光光纤导到牙齿的一个面上，而在牙齿的 另一段接受透射光从而检测邻接面龋齿的光纤光学透照( f o t i ) 方法。由于红 外光在介质中良好的透过性拍1 ，健全的牙齿对光的吸收很小，而龋齿部分由于 结构改变以及物质流失，会对光源产生比较严重的散射和吸收，从而在接受面 上龋齿部分会产生明显的暗斑。d i f o t i 是在f o t i 基础上全新改进，该技术的 接受面采用c c d 作为接收探测器，将图像进行数字化处理后再传入计算机进 行处理，得到牙齿的透射光图像，进而根据图像的亮暗确定龋齿病变的程度和 范围，这种改进适合于计算机的处理，大大提高了运算速度和精度。 d i f o t i 方法结构简单、快捷，容易实现对病人的无损和深度检测n 1 ，减轻 病人痛苦，最快在脱矿两周的时间内探测出病变情况，反应灵敏。 1 3 4 偏振敏感光学相干层析成像 光学相干层析成像是一种重要的物质结构成像方法，最早应用于视网膜的 成像中，也是医学诊断的有效光学方法。o c t 用于早期龋齿检测的基本原理为： 弱相干光源发出的光照射在牙齿上，龋损的牙齿区域有机物的增多会使其散射 系数小于周围健康组织，导致成像光强减弱，在o c t 图像上显示为较周围正 常釉质灰度高的白色影像。通过对采集图像的定量处理即可确定出龋损的区域 和程度。 1 9 7 5 年，w o l m a n 指出用偏振信息检测各向异性生物组织形态功能变化的 可能性；1 9 7 6 年b i c k e t 指出用散射光中的偏振效应获得生物材料有用信息的 事实；1 9 9 7 年，d e m o s 提出一种使用光通过生物组织后的去极化程度获取生物 信息的技术。b a u m g a r t n e r 和f r i e d 等人分别进行了基于p s o c t 的龋齿研究 随1 。其中，b a u m g a r t n e r 等于1 9 9 8 年用偏振o c t 成功得到离体牙釉质牙骨质界 的清晰o c t 图像，a m a e c h l o 于2 0 0 1 年获得有龋损组织的典型o c t 图像一1 。 经过几十年的发展，偏振敏感光学相干层析技术在龋齿检测领域已经取得 浙江大学硕一i ：学位论文第一章绪论 很大进展。这项技术主要是建立在o c t 和s l p ( 激光扫描偏振计) 的基础上，采 用偏振低相干干涉的方法，用介质的偏振特性作为成像因子。由于p s o c t 可 以同时检测干涉光的振幅和由于龋齿结构变化引起的偏振相位差信息，比常规 的o c t 技术多提供一维生物信息“们，从而定量描述龋齿的程度，获得比传统 o c t 技术更好的效果。其分辨率已提高到2 - 3 u m 。基本原理图如图1 5 所示n ： 低相干光源发出的光经过线偏振器，利用光纤传导到光纤耦合器。被耦合 后出射的两束光分别被传导到参考物和样品，通过调节光纤调制器改变其光程 差，进而实现样品不同深度的探测。参考物和样品出射的散射光沿光纤传导被 偏振分光棱镜收集，分光后两个不同方向的偏振光分量分别被两个探测器检 测。 探测器 探测器 图1 - 5p s o c t 的龋齿检测原理图 基于该技术巨大的优势，p s o c t 将会在早期龋齿检测领域得到更大的发 展，目前该技术已可以实现很多临床目标。随着生物医学光子学技术的飞速发 展，将有更大的发展空间，该技术后期的改进将主要集中在分辨率的提高、成 像深度的增加以及成像速度的实时上。 1 3 5 偏振拉曼光谱 进行早期龋齿检测的另一热点是偏振拉曼光谱，目前荷兰g r o n i n g e n 大学 “引，加拿大国家研究委员会所属的生物医疗机构等单位致力于此领域的研究。 拉曼光谱是由分子的光散射现象所产生的，入射光偏振度的改变取决于分 子的空间排布情况，所以偏振拉曼光谱定义为一种研究分子结构的有效方法。 8 浙江大学硕一l 学位论文第一章绪论 牙齿在龋损的过程中，改变了羟基磷灰石( c a l o ( p 0 4 ) 6 ( 0 h ) 2 ) 分子分布，相比 于健康牙齿，将会在某些拉曼散射光谱处出现峰值。另外，龋损牙齿的拉曼光 谱对入射光的偏振度依赖性较弱，从而可以建立样本的分子排布情况和解偏度 的关系，用于龋齿的诊断。其一般原理如图1 - 6 所示。 入射光通过线偏振器后获得线偏振光，经光路转换入射到牙齿样本上，经 偏振分析仪和耦合镜头出射后进入光谱仪，在测量过程中，通过调节偏振分析 仪的偏振态，实现全角度扫描。结果表明：相比于健康牙齿，龋齿的拉曼光谱 对偏振度的依赖性要小。在垂直偏振检测时，龋齿的拉曼光谱强度大于正常组 织的情况。 1 4 论文主要工作 图1 - 6 拉曼光谱早期龋齿检测原理 狭 缝 本论文在实验室前期工作基础上，主要做了以下几方面工作： ( 1 ) 进一步进行文献调研，对光学方法进行早期龋齿检测进行系统的对 比和总结。明确本论文实际意义，结合目前的研究实验条件，确定从荧光光强 和荧光光谱特性两个技术路线的角度对龋齿检测方法进行研究。 9 浙江大学硕t 学位论文第一章绪论 ( 2 ) 掌握目前比较成熟的生物组织光子学理论，利用蒙特卡罗算法对健 康牙齿和病变牙齿模型的荧光强度分布进行仿真分析，从理论上论证荧光强度 方法探测早期龋齿的可行性，同时利用t r a c e p r o 的荧光分析功能验证了上述仿 真算法的合理性。 ( 3 ) 搭建完善实验系统平台，得到不同病变牙齿样本的荧光光谱图。分 别从二维光谱和三维光谱的角度对不同病变程度的牙齿进行分析，探讨了光谱 方法探测早期龋齿的可行性。 ( 4 ) 总结论文研究的阶段工作，对论文完成的工作进行系统总结。同时 结合目前研究中的重点难点，对论文的研究发展作了进一步展望。 1 5 本章小结 本章概述了早期龋齿检测的意义；介绍牙齿的基本结构及龋变原理；详 细总结目前发展应用比较广泛的早期龋齿光学检测方法，包括：定量光导荧光 技术、激光龋齿诊断仪、数字光纤显微透射技术、偏振敏感光学技术、相干层 析成像、偏振拉曼光谱技术，并对各自的特点作了介绍；最后对本论文完成的 主要工作做了概括总结。 l o 浙江大学硕士学位论文第二章生物组织光子学传输及荧光理论 第二章生物组织光子学传输及荧光理论 基于荧光效应的龋齿检测作为生物组织光子学研究的范畴，归根结底是要 探讨龋变牙齿组织中激发荧光的产生机理和传输成像过程。本章内容重点介绍 目前比较成熟的生物组织光子学传输理论，对荧光的产生、散射等机理过程进 行介绍，引入了描述以上机理过程的生物组织光学参数。同时对荧光光谱学的 基本概念和牙齿的荧光特性做了简单描述。 2 1 光在生物组织中的传输理论概述 自然界中很多物质的特性是随时间和空间随机变化的，在这些物质中传播 的光波，其振幅和相位等属性也是随机变化的，这些物质称为随机介质。光在 随机介质中的传输大多从波动性和粒子性两个角度来进行研究。人们对光在散 射介质中传输的研究最初是从天体物理、大气光学和海洋光学开始的，目前已 经形成了比较完善的理论体系。图2 1 列出了现有的各种理论模型及相互的关 露 j 、o 图2 1 随机介质中光传输理论模型间的关系 作为随机介质范畴的一类，生物组织是由不同大小及成分的细胞和细胞间 浙江大学硕十学位论文 第二章生物组织光子学传输及荧光理论 质组成的，在光学上我们通常称之为混沌介质。生物组织中，光的作用表现为 随机粒子对光的散射和吸收，其中起主导作用的是多次散射效应。历史上曾经 提出两种不同的理论来讨论多次散射问题，一种是解析理论，另一种称之为输 运理论。 解析理论从m a x w e l l 方程或波动方程等基本微分方程出发，引进粒子的散 射和吸收特性，并求出方差和相关函数这些统计量的适当微分方程或积分方 程。原则上，这种理论考虑了多次散射、衍射和干涉效应，在数学上是严格的。 但是，由于组织组成、结构及其电磁性质和折射率的复杂性，使得我们无法获 得麦氏方程的解析解，产生有用解的各种理论也都是近似的，每一种理论只有 在一定的参数范围内才有用。 输运理论不是从波动方程出发，而是直接讨论能量通过包含粒子的介质时 的输运问题。该理论的研究比较直观，缺少严谨的数学论证。尽管在描述单个 粒子的散射和吸收特性时考虑了衍射和干涉效应，但输运理论本身并不包括衍 射效应。由于在输运理论中假定辐射场之间不存在相关性，因此用到的是功率 的叠加而不是场的叠加。输运理论也称之为辐射传输理论，它是由s c h u s t e r 于 1 9 0 3 年首创的，基本的微分方程叫做传输方程，它等价于分子动力学理论以及 中子输运理论中所用的b o l t z m a n n 方程( 也叫做m a x w e l l b o l t z m a r m 碰撞方程) 。 该方程能够灵活处理许多物理现象，它已经成功地用于大气能见度和水下能见 度、生物学、像纸和胶片的感光乳剂光学以及辐射能在行星、恒星和银河系大 气中传播等问题。 解析理论和输运理论处理的物理现象是相同的，尽管它们的出发点不同， 但可以预料它们两者之间可能有着某种基本关系。有关研究证明输运理论中所 用的辐射强度与解析理论中所用的互相干函数，通过f o u r i e r 变换可以互相联 系起来，这也意味着，即使输运理论是从功率叠加的原则发展起来的，但它也 包含辐射场相关性的某些信息。 因此在生物组织光学中，可以不考虑光的波动性，人们用辐射传输方程 ( r t e r a d i a t i v e t r a n s f e re q u a t i o n ) 来解决光在随机介质中的传播问题。但在大部 分情况下人们无法求出r t e 的精确解析解，于是提出了各种近似解法，主要有： k u b e l k a - m u n k ( 简称k m ) 方法和由此衍生出的其它方法，但是该方法的精度 1 2 浙江大学硕一 二学位论文 第二章生物组织光了学传输及荧光理论 有限；漫射近q 以( d i f f u s i o na p p r o x i m a t i o n ) 方法比k m 方法精确，是目前人们用 得最多的一种近似方法。另一方面人们还在尝试用数值解方法来求解传输方 程。这主要包括有限差分方法( f d m ) 和有限元法( f e m ) 及加倍法 ( a d d i n g d o u b l i n gm e t h o d ) 等 1 4 j * 这些近似解法在求解非均匀介质、复杂几何结 构、含时间过程及散射各向异性等问题时比较困难。微观的方法是将光波在随 机散射介质中的传播看成光子输运问题，即将蒙特卡罗( m o n t ec a r l o ) 方法应 用于研究光子在散射介质中