牙齒漂白專用比色板的設計方法初探

徐英新

北京大學深圳醫院口腔科，深圳 518036

牙齒漂白是近年來發展比較快速的治療項目，其產品很多，對于療效的評價方法主要有2種：一是將Vitapan Classical比色板的色標重新排序，根據治療前后變色牙色階數的變化評價療效；二是用比色儀在治療前后對變色牙測色，根據色度值的變化（ΔE）評價療效。比色板評價法的優點是設備簡單，操作容易，但由于Vitapan Classical比色板不是專為漂白而設計，其色標在色彩空間中的分布缺乏規律性，相鄰色標間色差大小不同，且方向各異，并且對變色牙在色彩空間的覆蓋程度偏低，很多變色牙找不到對應的色標，因此影響了效果評價的準確性。比色儀比色準確，可以精確地量化評價漂白治療的效果，但其價格昂貴，目前主要用于科研工作，難以在醫療機構全面配備。本研究的目的是通過對進行漂白治療的變色牙色度值的分析，探討能否通過統計學方法，設計出牙齒漂白治療專用的，可以科學、準確地評價療效的比色板，為新產品的設計提供參考。

1 材料和方法

1.1 納入本研究的變色牙

本研究納入了2009年2月—2014年7月在北京大學深圳醫院口腔科接受牙齒漂白治療的變色牙患者67例，其中四環素牙13例，氟斑牙30例，黃牙24例。患者年齡18～53歲，平均（29.0±7.2）歲。所有病例均由同一位醫生完成。

67名患者在治療前后都拍攝了照片，其中有2名患者先后進行了2次漂白治療，另有2名患者的術后照片由于不夠清晰而被排除，因此，供進行分析的對象（照片）合計136張：四環素牙25張，氟斑牙61張，黃牙50張。

1.2 納入標準

1）全身情況：年齡18歲以上，身體健康，非妊娠期，能耐受1～2 h的診椅上治療，心理健康狀況正常，醫患溝通良好。2）牙齒情況：前牙及前磨牙為中、輕度四環素牙、氟斑牙或黃牙，牙列完整，牙齒排列整齊，無明顯牙體缺損或牙根暴露，無修復體或充填體。

1.3 漂白系統

采用Beyond冷光美白系統（普洋科技公司，美國）進行漂白治療。其原理是將波長介于480～520 nm之間的高強度藍光，經由光纖傳導，再經過特殊光學處理，隔除一切有害的紫外線與紅外線，將過氧化氫和直徑為20 nm的二氧化硅等為主體的漂白劑，快速滲透到牙齒的表面及深層，與所附著的色素產生氧化還原作用，從而達到漂白的效果。

1.4 治療過程

首先向患者交待漂白治療的過程、原理、可能的效果，簽知情同意書；然后將Vitapan Classical比色板（Vita公司，德國）的色標按照從“白”到“黑”重新排列，16塊色標主要根據明度重新排列，即1～16對應B1、A1、B2、D2、A2、C1、C2、D3、A3、D4、B3、A3.5、B4、C3、A4、C4。漂白治療前后分別比色，并用帶有100 mm微距鏡頭和環形閃光燈的專業單反數碼相機（佳能公司，日本）拍攝全牙列正面口內像。治療時先清潔牙面去除菌斑，再使用牙齦保護劑保護牙齦，然后涂布美白凝膠，使用美白儀光照12 min，連續進行3次。

術前比色由經治醫師之外的2位醫師分別獨立進行。有的變色牙無法找到對應色標[1]，此時比色醫師可以選擇“放棄”，如2位醫師均選擇“放棄”，請第三位醫師選擇Vita 3D-Master比色板的色標替代比色；如果一個“放棄”，另一個選擇了對應色標，所選色標即被確定為對應色標；如果都選擇了對應色標，而2位的選擇不一致，則再請第三位醫師裁決；如果2位的選擇一致，所選即為對應色標。

術后比色在治療結束后1周時進行，此時患者牙齒顏色比較穩定，由經治醫師和術前比色醫師之外的2位醫師分別獨立進行，必要時請第三位醫師裁決。

1.5 數據分析和統計方法

1.5.1 變色牙色度值的測量 首先，建立變色牙圖片庫。治療前后拍攝的全牙列正面口內像是按美國美容牙科協會的標準，每張照片同時包括上下頜前牙、前磨牙及對應比色板色標，手動模式，手動對焦，拍攝比例1︰3，光圈F22，快門速度1/200，閃光燈強度M/8，ISO200。第二步，確定標準光源下Vita比色板色標中1/3的色度值。由于廠家并未給出該值，參照文獻[2-7]，去除數值最高組和最低組，取平均值，確定為色度值數據。第三步，使用Photoshop軟件測量變色牙的色度值。首先使用Photoshop 7.0軟件（Adobe公司，美國）打開一張拍攝的照片，選擇菜單中“圖像—模式—Lab顏色”調整圖片為該軟件的Lab顏色模式；然后選取照片中Vita比色板色標中部一點作為色標測色點，選擇菜單中“圖像—直方圖”對該點測色；測得的結果一般都會與前面確定的標準光源下色度值存在差異，這時通過選擇菜單中“圖像—調整—曲線”對整張圖片的亮度（L*）、紅綠度（a*）、黃藍度（b*）進行調整（圖1），直到測色點的色度值與標準光源下色度值完全一致為止。此時再選取上中切牙中部一點測色（圖2），即可認為測得值非常接近標準光源下該變色牙的色度值。

為減小誤差，請未參與過本實驗前期比色及治療工作的另外3位醫師分別獨立測量漂白前后全部照片的數據，漂白前與漂白后照片測量間隔1個月，反復2遍，每張照片所得的6個測量數據去掉最大和最小值，再取平均值作為最終測量值。

需要說明的是，Photoshop軟件下的Lab值與CIE（國際照明委員會）L*a*b*不同，其差異為[8]：LPhotoshop值范圍：0～255；aPhotoshop值范圍：0～255；bPhotoshop值范圍：0～255。L*CIE值范圍：0～100；a*CIE值范圍：-120～120；b*CIE值范圍：-120～120。在圖片分析時，需將Vita比色板色標的CIE L*a*b*轉化Photoshop軟件下的Lab；測得Photoshop軟件下變色牙的Lab后，根據推導轉化公式[8]還要再轉化為CIE L*a*b*。

1.5.2 比色板的設計 通過對變色牙色度值的分析，用統計學方法設計比色板。本研究設計的比色板色標在色彩空間中沿著穿過變色牙所在區域中心，與亮度軸平行的一條直線排列，這些色標對應的a*、b*值分別是變色牙a*、b*值的均值，不同色標對應不同的L*值。采用SPSS 19.0軟件通過對變色牙的L*值進行系統聚類分析來確定色標的L*值。

圖1 調整圖片的Lab值Fig 1 Adjust Lab of pictures

圖2 測量變色牙Lab值Fig 2 Measure Lab values of discolored teeth

具體過程是：首先輸入數據，包括“患者編號”，“L*值”，然后選擇“分析—分類—系統聚類”，“變量”為“L*值”，“個案”為“患者編號”，按照“個案”分群，“最小聚類數”設為2類，“最大聚類數”可以根據個案數設定，甚至可以每個個案自成一類，“聚類方法”為“Ward法（最小方差法）”，“度量區間”為“平方Euclidean距離”，“轉換值”按“個案”進行“Z得分”標準化。

1.5.3 設計出的比色板色標與變色牙間色差的評價計算每塊色標與其對應的變色牙間的色差值的大小判斷顏色的接近程度，計算公式為：ΔL*=L*變色牙－L*色標；Δa*=a*變色牙－a*色標；Δb*=b*變色牙－b*色標。色差值ΔE=（ΔL*2+Δa*2+Δb*2）1/2。

a*色標及b*色標值為變色牙a*及b*的均值，L*色標則為聚類后，每組中各變色牙L*值的均值。通過這一公式不但能計算變色牙與本研究設計的比色板色標間的色差值，還能夠計算變色牙與Vitapan Classical比色板色標間的色差值，前期研究[1]中也進行過統計分析，兩者間可以進行比較。

1.6 統計學分析

采用SPSS 19.0軟件對實驗結果進行分析，對3種變色牙的L*值及b*值，采用Kruskal-Wallis秩和檢驗進行分析；對a*值，采用單因素方差分析（oneway ANOVA）進行分析，檢驗水準α=0.05。

2 結果

2.1 Vita比色板的色度值

通過資料分析確定標準光源下Vita比色板色標中1/3的色度值。

2.2 3種變色牙的色度值

3種變色牙的色度值見表1。

表1 3種變色牙的色度值Tab 1 Color values of three kinds of discolored teeth

2.2.1 L*的比較 3組間L*值比較差異有統計學意義（H=21.188，P=0.000）。進一步比較，四環素牙與氟斑牙（χ2=－3.140，P=0.002）、黃牙與氟斑牙（χ2=4.267，P=0.000）間差異有統計學意義，氟斑牙亮度偏高；四環素牙與黃牙間比較差異無統計學意義（χ2=0.275，P=0.784）。

2.2.2 a*的比較 3組間a*值比較差異有統計學意義（F=4.215，P=0.017）。進一步比較，四環素牙與黃牙間差異有統計學意義，四環素牙偏紅。

2.2.3 b*的比較 3組間b*比較差異無統計學意義（H=0.445，P=0.800）。

2.3 比色板的設計

2.3.1 四環素牙比色板的設計 Vitapan Classical比色板共計16塊色標，四環素牙一般對應C及D組7塊色標。為了臨床使用方便，設計的四環素牙比色板色標數確定為5～7塊，對四環素牙的L*值進行了5～7聚類。5聚類時，25例四環素牙被分為5組，每組四環素牙的L*值取平均值，代表該組的四環素牙比色板色標的L*值（表2），6聚類、7聚類同理。全部色標的a*值及b*值固定為全部四環素牙a*值及b*值的均數（4.8和13.0）。5～7聚類時，色標與其對應的四環素牙間平均色差均為5.0±2.4（表2）。聚類分析時設定的最大聚類數為個案數，此時變色牙與色標間ΔL*為0，ΔE達到理論上的最小值，為4.9±2.4。5～7聚類時的ΔE都非常接近最小值。

2.3.2 氟斑牙比色板的設計 與四環素牙相同，氟斑牙也固定了a*、b*值，分別為3.8、14.5；對L*值也進行了5～7聚類，并分別計算了色標與氟斑牙間的色差值（表3）。ΔE可能達到的最小值為5.4±5.2，5～7聚類時的ΔE與之非常接近。

2.3.3 黃牙比色板的設計 設計思路與四環素牙和氟斑牙相同，a*、b*值分別為3.0、13.8，L*值的5～7聚類結果見表4，ΔE可能達到的最小值為3.4±2.0，也與5～7聚類時的ΔE非常接近。

表2 四環素牙L＊值的5～7聚類及色標與變色牙色差值Tab 2 5-7 clusters of L＊ values of tetracycline teeth and color difference between shade tabs and discolored teeth

表3 氟斑牙L＊值的5～7聚類及色標與變色牙色差值Tab 3 5-7 clusters of L＊ values of mottled-enamel teeth and color difference between shade tabs and discolored teeth

表4 黃牙L＊值的5～7聚類及色標與變色牙色差值Tab 4 5-7 clusters of L＊ values of yellow teeth and color difference between shade tabs and discolored teeth

3 討論

本研究首先對接受漂白治療的變色牙進行了分類。四環素牙、氟斑牙是由于四環素的不當使用及攝氟量超標造成；而黃牙泛指除前二者外，對自身牙齒顏色不滿意要求漂白的患者：有的是飽和度高，有的是亮度低，有的顏色完全正常，甚至是比較白的；病因有的是由于釉質透明度高，有的是由于牙齒磨損釉質變薄，有的牙齒天生偏黃，有的接受了長時間的正畸治療導致色素的深層滲透，用噴砂、拋光等方法都不能去除，由于其主色調均為黃色調，將其歸為一類。

通過對Vitapan Classical比色板色標的重新排列對牙齒漂白的效果進行評價，是一種在臨床中廣泛應用的評價方法，但已經有多項研究認為其評價準確性欠佳。筆者研究發現：64%的四環素牙和28%的氟斑牙在該比色板中找不到對應色標，只有黃牙全部能找到對應色標；能找到對應色標的四環素牙、氟斑牙及黃牙與Vitapan Classical比色板色標的色差（ΔE）分別為12.33±3.80、5.72±2.20、4.93±1.55[1]。美國牙科協會規定：2.0是比色板與牙齒間色差的容忍值[9]，在臨床實踐中，2.0的色差值很難達到。有研究[10]發現在口腔環境中，比色板色標與牙齒間的平均色差達3.7。3種變色牙與Vitapan Classical比色板色標的色差值不僅高于2.0的標準，也高于臨床實踐中一般牙齒比色的色差值3.7，確實存在比色不準的問題。同時，該比色板的色標在色彩空間中分布散亂，間距不等，位置各異，沒有規律[11]，因此，其對漂白效果的評價結果難以科學、準確地解讀。牙齒漂白的效果主要體現在L*的提高，同時伴隨飽和度的降低，用比色儀對色標進行的測色研究[3]和醫生們對無標記的色標從“白”到“黑”排序的研究[12]發現：即使色標重排后，其色標也不是嚴格的從“白”到“黑”，這更降低了其評價效能。

由于比色儀價格昂貴，難以在醫療機構中廣泛使用，筆者認為有必要重新設計比色板。設計要求是：1）其色標在色彩空間中的分布有規律；2）漂白前后比色結果間的比較有清楚、準確的科學意義；3）色標與對應的變色牙間色差值盡量小。漂白主要通過提高變色牙的亮度使變色牙顯得更白，比色板按照L*對色標進行排序是最合理的設計[13]。為了滿足以上3個設計要求，筆者的設計思路是：1）色標值在色彩空間中沿一條直線排列；2）固定色標的a*、b*值，色標的變化即L*的變化。通過這兩條可以實現第一、第二項設計要求。為了實現第三條設計要求，選擇對L*值進行系統聚類分析來使變色牙與對應色標間ΔE盡量小。

在進行具體設計之前，先要獲得標準光源下變色牙的色度值數據。如果有可靠的比色儀，用比色儀直接測色是比較好的選擇，在沒有比色儀的情況下，按照筆者的實驗方法也是可行的。在漂白前后都拍攝了照片，每張照片既有變色牙，也有對應的Vita比色板色標，色標就成為變色牙顏色的參照物。首先用Photoshop軟件測量Vita色標的色度值，與已經掌握的標準光源下Vita色標的色度值對比，繼而調整整張照片的亮度、紅綠度及黃藍度，直至照片上Vita色標的色度值與標準光源下該色標的色度值相同，此時再測量變色牙的色度值。雖然由于色標與變色牙在拍照時位置的差異可能帶來曝光量的差異而影響了二者間的可比性，但可以認為通過這種調整測得的變色牙色度值數據已經非常接近標準光源條件下的色度值了。

測色的位點是牙體中1/3處，因為切端半透明性較高，亮度高而飽和度低，頸部釉質薄，亮度低而飽和度高，牙體中部的色度值能更好地體現牙齒整體顏色，比色板也選取同樣位點進行對比。由于采用環形閃光燈補光，常在牙體正中形成反光點或帶，選取位點時要注意避開。

首先分別計算了四環素牙、氟斑牙和黃牙的L*、a*及b*，發現四環素牙的顏色偏紅，氟斑牙的亮度比較高，在臨床實踐中，也可感到這3種變色牙的顏色各有特點，因此，筆者為每種變色牙分別設計了比色板。每塊比色板的色標都有相同的a*、b*值，即每種變色牙a*、b*值的均值。

為實現合理的L*值的設計，采用了系統聚類分析法建立數學模型：首先，所有變色牙之間的ΔL*都通過軟件進行計算；然后，L*最為接近的兩兩一組分組（最小差值原則），稱為二元素類，重復上述過程，建立更大的類；最后，所有的對象（變色牙）就歸入一個巨類，為一個樹狀分布圖，分的類越多，就越接近樹的末梢，分的類越少，就越接近樹的主干。樹狀模型建立以后，還應該考慮對于一個特定人群，多少類是合適的（多少色標是合適的），方法是：觀察數據自然分類如何；根據實踐經驗，人為確定分類數量。通過對已有比色板的分析，認為新設計的三塊比色板各有5～7塊色標是合適的。

按照這一思路設計的比色板，相較現有的用于漂白療效評價的Vitapan Classical比色板色標排列更加有規律，由于漂白前后色階數的變化對應的是亮度值的變化，因此對療效的評價更加準確和科學。但其顏色與變色牙的顏色是否更加接近呢？筆者發現，按照這種方法設計的比色板，色標與對應變色牙間的ΔE都超過了2.0，四環素牙與氟斑牙都超過了3.7，還是不夠理想，但與Vitapan Classical比色板相比，顯然顏色匹配性更好[1]。必須指出的是，通過對已有變色牙色度值的分析設計出比色板，再與已有變色牙間進行色差值計算，這可能會使算得的ΔE較真實值偏小。更為準確的方法是選擇一組新的臨床病例，把虛擬設計出的比色板實體化，用于漂白前后比色，再計算色標與變色牙間的色差值，這樣就能得到ΔE的真實值，將在今后的研究中進一步探索。當然，也有辦法使ΔE小于2.0，甚至更小，這就是將L*、a*、b*同時聚類，如果設計的比色板是為特定人群的修復體制作而設計，這種聚類方法就會得到非常理想的比色板，但由于是為漂白效果的評價而設計，還要更多地考慮色標排列的規律性和結果解讀的科學性、準確性，這就不得不部分犧牲色標與變色牙間顏色的匹配性。

本研究存在以下不足：1）由于漂白治療是近年來才在國內大范圍開展，選擇病例比較慎重，尤其注意通過醫患交流觀察患者的心理狀況，因此病例總數偏少，即使全部病例也不超過百例，難以按照統計學方法抽樣，可能影響數據的代表性，本文的意義更主要在于使用系統聚類分析法這一理想模型來實現比色板的個性化和精準化，為牙齒漂白專用比色板的設計提供了一個新的研究方向；2）任何一個新的方法需要反復實踐證明，本研究的設計方案和研究結果還有待進一步完善，如Photoshop軟件測量變色牙色度值的手動調整等關鍵研究步驟是根據該軟件的功能做出的設計，其準確性還有待進一步研究的檢驗。

通過本項研究，認為：目前采用Vitapan Classical比色板色標重新排列來評價牙齒漂白療效的方法是可以改進的，改進的方法之一是設計牙齒漂白專用比色板；設計的新比色板色標排列要有規律，能清楚而準確地闡釋漂白的療效，并與變色牙的顏色匹配；系統聚類分析法是一種可以用來輔助設計這種比色板的方法；要準確地判斷設計出的比色板實際效果如何，還需將設計實體化，在臨床實踐中檢驗。

[1]徐英新. 變色牙與Vitapan Classical比色板色標的色差分析[J]. 華西口腔醫學雜志, 2015, 33(4):388-392.

[2]Lee YK, Yu B, Lim HN. Lightness, chroma, and hue distributions of a shade guide as measured by a spectroradiometer[J]. J Prosthet Dent, 2010, 104(3):173-181.

[3]Paravina RD, Johnston WM, Powers JM. New shade guide for evaluation of tooth whitening-colorimetric study[J]. J Esthet Restor Dent, 2007, 19(5):276-283.

[4]Analoui M, Papkosta E, Cochran M, et al. Designing visually optimal shade guides[J]. J Prosthet Dent, 2004, 92(4):371-376.

[5]Ahn JS, Lee YK. Color distribution of a shade guide in the value, chroma, and hue scale[J]. J Prosthet Dent, 2008, 100(1):18-28.

[6]Bayindir F, Kuo S, Johnston WM, et al. Coverage error of three conceptually different shade guide systems to vital unrestored dentition[J]. J Prosthet Dent, 2007, 98(3):175-185.

[7]王成龍, 劉佼佼, 蘇東華, 等. Vita比色板各色片間色差及意義[J]. 口腔醫學, 2012, 32(4):220-222.

[8]Bengel WM. Digital photography and the assessment of therapeutic results after bleaching procedures[J]. J Esthet Restor Dent, 2003, 15(Suppl 1):S21-S32.

[9]Wozniak WT. Proposed guidelines for the acceptance program for dental shade guides[S]. Chicago: American Dental Association, 1987:1-2.

[10]Johnston WM, Kao EC. Assessment of appearance match by visual observation and clinical colorimetry[J]. J Dent Res, 1989, 68(5):819-822.

[11]Browning WD. Use of shade guides for color measurement in tooth-bleaching studies[J]. J Esthet Restor Dent, 2003,15(Suppl 1):S13-S20.

[12]Paravina RD. New shade guide for tooth whitening monitoring: visual assessment[J]. J Prosthet Dent, 2008, 99(3):178-184.

[13]Paravina RD, Powers JM. Esthetic Color Training in Dentistry[M]. St. Louis, MO: Elsevier-Mosby, 2004:136-140.