光學相干斷層成像檢出早期窩溝齲效能的體外評估

代曉華 姚暉 連小麗 李燕妮 王英瑛 劉曉斌 邢路

1.天津市口腔醫院中心實驗室；2.牙體牙髓病科，天津 300041

·基礎研究·

光學相干斷層成像檢出早期窩溝齲效能的體外評估

代曉華1姚暉1連小麗1李燕妮1王英瑛2劉曉斌2邢路2

1.天津市口腔醫院中心實驗室；2.牙體牙髓病科，天津 300041

目的 比較光學相干斷層成像技術（OCT）與臨床探視診對人牙窩溝早期釉質齲的檢出效能。方法 獲取77顆人離體恒磨牙面的97個可疑早期齲位點OCT二維圖像，由3位臨床醫師雙盲法分別通過OCT圖像和探視診方法對這些位點進行評分，以偏光顯微鏡獲取的組織學圖像為金標準，評估OCT、臨床探視診檢出早期窩溝齲的敏感度（SE）、特異度（SP）、陽性預測值（PPV）、陰性預測值（NPV）及其與組織學評分結果的相關性；采用Kappa檢驗分析檢測者間評分結果的一致性，采用非參數法Z檢驗比較受試者工作特征（ROC）曲線下面積（AUC）。結果 對于脫礦局限于釉質表層外1/2的窩溝早期齲，OCT檢出率（14/25）明顯優于探視診（3/25）。OCT檢出窩溝早期釉質齲的SE、SP、PPV、NPV（0.83、0.64、0.87、0.57）均高于探視診（0.79、0.60、0.85、0.50）。OCT與探視診檢測窩溝早期齲的AUC（95% CI）分別為0.737（0.569～0.822）、0.696（0.614～0.859），二者間差異無統計學意義。OCT評分與組織學評分呈正相關（r=0.559，P<0.05），檢測者間檢測結果的一致性為中等。結論 OCT能夠敏感、無創、有效地檢出早期窩溝齲，具有輔助臨床探視診檢出早期窩溝齲的應用潛能。

窩溝齲； 早期齲； 光學相干斷層成像技術； 探視診

早期釉質齲的檢出，尤其是發生在窩溝點隙處的早期釉質脫礦的及時發現仍是臨床齒科面臨的一大難題。臨床迫切需要一種高效、無創、便捷的早期釉質齲診斷方法，以期實現窩溝表層下脫礦的早期發現和定期監測[1]。光學相干斷層成像技術（optical coherence tomography，OCT）是一種基于低相干光干涉技術產生的具有高分辨率（10～20 μm）、非侵入性、無輻射的光學診斷技術[2]，可對組織微觀結構進行快速實時光學成像，目前已被廣泛用于醫學和生物學領域。OCT可通過檢測釉質對光反射和背向散射的差異，判斷釉質脫礦的程度和范圍。目前，已有多項研究[3-5]致力于使用OCT進行平滑面釉質早期脫礦及再礦化的定性與定量檢測，并取得了較為樂觀的結果。然而對于OCT檢測自然窩溝釉質早期脫礦的研究開展相對較少。本研究通過對77顆人離體恒磨牙上的97個面窩溝點隙可疑早期齲位點進行模擬臨床探視診和OCT掃描，以偏光顯微鏡獲得的組織學改變為金標準，評估OCT檢出窩溝早期釉質齲的效能，探討未來OCT臨床診斷窩溝早期釉質齲的應用價值。

1 材料和方法

1.1 研究對象

選取2011年6月—8月于天津市口腔醫院口腔頜面外科門診新鮮拔除的恒磨牙77顆，樣本收集均獲得患者知情同意。納入標準：牙齒咬合面完整，窩溝釉質健康或僅有輕度白堊色變，溝裂處可有少量色素沉著但不可探進。排除標準：牙齒有明顯齲壞，進行過充填修復治療，牙齒肉眼觀有裂痕，有可探進的溝裂，氟斑牙等不在選用的樣本之列。另外，排除實驗評分過程中3位醫師診斷均不一致的位點。使用刮牙器去除樣本牙上殘存組織及牙結石，并進行徹底清洗。選取可疑早期齲位點97個，進行標記，將牙齒樣本存于4 ℃去離子水中。

1.2 主要儀器設備

高速OCT信號采集系統（天津大學與天津市口腔醫院合作研發，性能參數：中心波長1 310 nm，帶寬50 nm，相干長度15 μm，牙樣本內分辨率為10 μm，牙齒成像深度2.2 mm）；偏振光顯微鏡（尼康公司，日本）及其成像系統；體視顯微鏡（Global有限公司，美國）。

1.3 檢測及診斷評分

由經驗豐富的3位口腔臨床醫師對可疑齲位點進行探視診評分。由實驗人員獲取OCT圖像及偏光顯微鏡圖像，再由前述3位口腔臨床醫師分別對偏光圖像和OCT圖像進行獨立、盲法診斷評分。同一位點，3位醫師診斷不完全一致時，以其中2位的一致診斷為準；3位醫師診斷均不一致的位點則進行排除。探視診、OCT及組織學評分標準見表1，其中組織學及探視診評分標準參照Ekstrand等[6]提出的相應評分標準。

表1 組織學、探視診及OCT檢測評分標準Tab 1 Scoring criteria used for histological examination, visual inspection and OCT

1.3.1 OCT掃描 將待測牙齒樣本固定于樣本槽中，保持咬合面水平，使OCT探測光束垂直于咬合面，沿標記路徑進行掃描，獲取二維圖像與數據。OCT掃描過程中，咬合面與探頭間距離為3～4 mm，電壓維持于1.0 V，步進電機前進300～500步。

1.3.2 探視診 由上述3位臨床醫師模擬臨床探視診，使用光學放大鏡及吹干器等對離體恒磨牙樣本咬合面上每一檢測位點進行探視診檢測。

1.3.3 偏光顯微鏡檢測 檢測后的牙樣本，沿OCT掃描路徑制成厚度為150～200 μm的牙磨片，置于偏光顯微鏡下觀察并拍攝組織學圖像。

1.4 統計學分析

以偏光顯微鏡測得的組織學結果為金標準，采用SPSS 22.0統計軟件按臨床試驗診斷方法，分析比較探視診、OCT檢測窩溝早期釉質齲的敏感度（sensitivity，SE）、特異度（specificity，SP）、陽性預測值（positive predictive value，PPV）及陰性預測值（negative predictive value，NPV）；受試者工作特征（receiver operating characteristic，ROC）曲線分析采用非參數法，利用Z檢驗配對比較ROC曲線下面積（area under ROC curve，AUC）；通過Spearman檢驗分析探視診與OCT檢測結果與組織學評分的相關性（檢驗水準為雙側α=0.05）。分別比較3位臨床醫師使用探視診及OCT方法檢測結果的一致性，即Kappa分析。Kappa值≤0.40時，認為可靠度不合格；0.400.8時，認為完全可靠。

2 結果

2.1 不同組織學評分窩溝點隙OCT圖像

圖1 不同程度早期窩溝齲及其相應的組織學和OCT圖像Fig 1 Different progressive stages of occlusal caries and its corresponding histological and OCT images

不同程度早期窩溝齲及其相應的組織學和OCT圖像見圖1。組織學評分為0的牙齒樣本，偏光顯微鏡下可見檢測部位窩溝釉質較為健康，無明顯脫礦，窩溝底可見釉板結構，窩溝側壁可見施格雷線。OCT圖像為典型的健康牙齒圖像。組織學評分為1的牙齒樣本，偏光顯微鏡圖像可見左右兩個窩溝處均有脫礦，脫礦深度小于釉質厚度1/2，左側窩溝脫礦程度較右側窩溝輕。OCT圖像中亦可見左側窩溝表面下光背向散射帶強度及厚度低于右側窩溝。組織學評分為2的牙齒樣本，偏光顯微鏡下可見釉質表面的再礦化帶和表層下明顯的病損體部，齲損貫穿窩溝釉質層，深達釉牙本質界，牙本質有所累及。因齲損釉質質地疏松，在制備牙磨片過程中，窩溝左側壁有損耗，釉質表面的再礦化帶脫落。相應的OCT圖像可見表面下背向散射明顯增強。

2.2 檢出窩溝早期釉質齲結果分析

OCT與探視診檢測結果見表2。由表2可見，在組織學評分為1的位點，即脫礦局限于釉質表層外1/2的位點，評分與組織學評分結果一致者：探視診3例，OCT14例。選擇評分1為截斷點，即視組織學評分為0的樣本為健康樣本，評分為1和2的樣本均為早期齲樣本，探視診與OCT檢測窩溝早期釉質齲的SE、SP、PPV、NPV及AUC見表3。OCT檢測早期齲樣本的SE、SP、PPV、NPV及AUC均優于探視診。Z檢驗結果顯示，AUC間差異無統計學意義。Spearman相關性分析表明，OCT和探視診檢測結果均與組織學結果成正相關，兩種檢測方法的Kappa值均在0.4～0.6之間，即OCT和探視診的檢測者間一致性均為中度（表4）。

表2 探視診與OCT診斷窩溝釉質早期齲結果 Tab 2 The results of visual inspection and OCT for the detection of occlusal caries lesions

表3 探視診與OCT檢出窩溝早期釉質齲效能（截斷點為1）Tab 3 The efficiency of visual inspection and OCT for the detection of occlusal caries lesions (1 cut-off point)

表4 探視診與OCT的相關性和重復性分析 Tab 4 Spearman’s correlation coefficients and inter-examiner reliability of visual inspection and OCT

3 討論

恒磨牙窩溝點隙往往釉質菲薄，且常伴發育不良，易于食物滯留及菌斑附著，不利于徹底清潔，是臨床最常見的患齲部位。初起時窩溝釉質脫礦常沿釉柱呈倒三角形擴展，臨床探視診不易發現。一旦突破釉牙本質界，由于牙本質富于小管，礦化程度較低，病損進展將更加迅速，對牙體造成較大的破壞。窩溝釉質早期脫礦可通過改善口腔環境、改變飲食結構及局部應用再礦化藥物等干預手段進行保守性治療，最大限度地保存牙齒和減少患者接受侵入性治療的恐懼和痛苦。臨床一般常用的X線牙片，對鄰面齲損檢查效果比較好，但是用以檢查咬合面點隙齲則效果較差，特別是早期齲損[7]。X線片顯示出的齲病多已累及釉牙本質界和牙本質，形成組織缺損，只能采用外科手段進行治療。

近年來涌現出了多項用于窩溝齲齒早期檢測的新技術，如光纖透照技術、電阻抗技術和定量光導熒光技術等，但因口腔環境因素復雜，使這些技術的敏感性和特異性均受到一定的影響[8-10]。OCT技術集激光光學技術、超靈敏探測技術、精密自動控制和計算機圖像處理等技術于一體，分辨率高、掃描速度快且無輻射，利于無創性獲取表層組織結構的形態學信息[11]。Mansour等[12]對DIAGNOdent和OCT診斷冠齲的性能進行了臨床比較研究，發現兩者對原發性齲損診斷的敏感性/特異性分別為73.7%/ 94.1%、74.1%/95.7%；對于進行了修復治療或窩溝封閉的冠齲診斷的敏感性/特異性分別為19.2%/ 95.8%、74.1%/95.7%。因此認為OCT既適于齲齒的早期檢測，又可監測修復體和封閉劑下的繼發齲。OCT的檢測原理及操作與超聲成像技術相似，需要使用入射波和測定反射與背向散射信號[13]。但OCT入射波為光波而非聲波，其圖像解析程度遠遠超過超聲圖像[14]。釉質齲發生過程中，釉質礦質含量損失，晶體有序排列破壞，孔隙度增加，對光反射及背向散射均發生改變，OCT可依此檢測釉質齲的范圍[15-17]。研究[18]顯示，牙齒釉質鈣化不全及著色等因素基本不影響OCT對牙齒白堊色變的檢測。在近紅外區域，尤其波長接近1 310 nm處時，釉質透明度最高，衰減系數比可見光區低20～30倍，齲損成像對比度較高[19]。本實驗中使用的OCT系統亦采用1 310 nm波長入射光源，以期獲得最佳的軸向成像深度。

已有多項研究[20-23]先后將OCT應用于齒科平滑面早期齲、根齲及繼發齲檢測的研究中，而用于窩溝早期釉質齲檢測的研究開展較少。本課題組先前探討了OCT檢測離體前磨牙窩溝釉質早期人工齲深度的準確性，結果顯示OCT可對窩溝釉質早期人工齲清晰成像，可行早期齲病變程度的量化分析[24]。本研究采用偏光顯微鏡獲得的組織學圖像為金標準，探討OCT作為體外窩溝早期釉質齲檢出方法的效能。為保證組織學圖像與OCT掃描路徑盡可能重合，在OCT掃描時使用了紅光定位。本研究發現對于脫礦局限于釉質表層外1/2的窩溝早期齲位點，OCT檢出率（14/25）較高，恰好可彌補臨床探視診此方面的不足，對于實現窩溝臨床早期齲的診斷具有積極意義。本實驗數據分析顯示，以1分為截斷點，OCT對窩溝早期釉質齲檢測的SE、SP、PPV、NPV及AUC均略優于探視診，說明OCT檢出早期窩溝齲的效能與準確性較好。OCT增加了完整釉質表層下早期窩溝齲檢出的準確性，利于在齲病初起階段采取預防干預措施，更有效地控制齲病的進一步發展。

本研究中，OCT與組織學評分的Spearman相關系數為0.559，呈正相關，相關度較好。在進行OCT及探視診不同檢測者間一致性分析時，為避免檢測中存在研究者主觀傾向性的干擾，采取了實驗檢測者與診斷評分者分開、盲法診斷等措施，進行了不同評分窩溝早期齲的OCT圖像與偏光圖像特點的培訓后，再由各臨床醫師獨立對每一檢測位點進行組織學、探視診及OCT評分。結果顯示，OCT的檢測者間的一致性為中等，Kappa值較探視診低。究其原因可能為探視診是臨床常用的窩溝齲檢測方法，各臨床齒科醫師運用熟練，對診斷標準十分熟悉。而對于OCT這一新型檢測方法，臨床醫師則較為陌生，雖經過短暫培訓，但掌握程度與探視診尚無法比擬。相信隨著臨床實踐增多和OCT早期齲齒診斷標準的日臻完善，OCT的檢測者間檢測結果一致性應可進一步提高。

與平滑面相比，窩溝固有的形貌特征復雜性，窩溝底的開放程度各異，與OCT入射光束往往非正交投照，使入射光相對損耗，表層下透射深度降低。當齲損加重，表面下釉質內孔隙度增加，釉質內光漫散射增強，入射光迅速衰減，深層釉質返回OCT探測器的背向散射光信號減少，導致掃描深度進一步減低。正是由于上述原因，造成OCT檢測脫礦在釉質表層內1/2至牙本質外1/3的窩溝齲受限。OCT檢測面齲損時，利用高折光率液體作為檢測介質可顯著提高光反射信號[25]。在后續在體窩溝早期釉質齲診斷的實驗中，可考慮使用安全無毒折光率較高的液體作為介質，并適當參照窩溝側壁的探視診及其OCT圖像比較進行，尤其是針對窩溝底不能充分開放的牙齒，以利于增加齲損OCT圖像對比度和成像深度，提高OCT診斷的準確性。

本研究結果表明，OCT能夠在窩溝齲初期階段靈敏、準確、無創、有效地發現窩溝早期釉質脫礦，尤其是OCT能夠檢出探視診等臨床常用方法難以發現的窩溝早期脫礦，有望發展成為一種新型的窩溝早期齲診斷方法，用于輔助臨床齒科醫生早期、快速、安全、準確地診斷窩溝釉質齲，從而有效實現窩溝齲的早期干預和早期控制，最大限度地保護牙齒組織，提高人體健康水平。

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（本文編輯 杜冰）

Ex vivo assessment of the potency of optical coherence tomography for the detection of early occlusal caries

Dai Xiaohua1, Yao Hui1, Lian Xiaoli1, Li Yanni1, Wang Yingying2, Liu Xiaobin2, Xing Lu2. (1. Experimental Research Center, Tianjin Stomatology Hospital, Tianjin 300041, China; 2. Dept. of Conservative Dentistry and Endodontics, Tianjin Stomatology Hospital, Tianjin 300041, China)

Supported by: The National Nature Science Foundation of China(30770597). Correspondence: Yao Hui, E-mail: yaoh2k@ 163.com.

Objective This study aimed to evaluate the potency of optical coherence tomography (OCT) to detect early occlusal caries compared with clinical visual examination. Methods Approximately 97 sites of occlusal fissures on 77 extracted accessional human teeth were scored by three examiners using conventional visual examination and OCT. Results of histological examination on these sites obtained by polarimicroscope served as a gold standard to analyze the sensitivity (SE), specificity (SP), positive predictive value (PPV), and negative predictive value (NPV). Results of the area under receiver operating characteristic (ROC) curve (AUC) by visual examination and OCT were also analyzed. The Spearman’s rank correlation coefficient with histology and the inter-examiner reliability were compared. Results For sites of enamel demineralization limited to the outer 1/2 of the enamel layer, the detection rate of OCT (14/25) was obviously higher than that of the clinical and visual examination (3/25). SE, SP, PPV and NPV of OCT during diagnosis of the early occlusal caries (0.83, 0.64, 0.87 and 0.57) were higher than that of the visual examination (0.79, 0.60, 0.85 and 0.50). AUC (95%CI) of OCT and the visual examination were 0.737 (0.569-0.822) and 0.696 (0.614-0.859), respectively. No statistically significant difference was observed between the results. Results of OCT correlated well with histology (r=0.559, P<0.05). The inter-examiner reliability of OCT was medium. Conclusion OCT can accurately detect early occlusal lesions atraumatically with high sensitivity and effectiveness. OCT exhibits the potential of auxiliary clinical diagnosis enhancing detection rate and finally implementing early diagnosis and early intervention of early occlusal lesions in clinical practice.

occlusal caries; early caries; optical coherence tomography; visual examination

R 781.1

A

10.7518/hxkq.2016.06.003

2016-02-22；

2016-09-15

國家自然科學基金（30770597）

代曉華，副研究員，碩士，E-mail：jstonehome@163.com

姚暉，主任醫師，學士，E-mail：yaoh2k@163.com