智能齲齒偵察儀的研究及應用

王成，楊梅，陸雨菲，方麗萍，陳鵬，周成，蔡青

1.上海理工大學 醫療器械與食品學院 生物醫學光學與視光學研究所，上海 200093；2.廈門羅雅光科技有限公司，福建 廈門 361008

引言

牙齒健康已被世界衛生組織列為人體健康的十大標準之一，研究表明，齲病已成為繼心、腦血管疾病和癌癥之后的第三大非傳染性疾病，也越來越多的引起人們的重視。根據第三次全國口腔健康流行病學抽樣結果，中國口腔健康形勢十分嚴峻[1]：5歲兒童乳牙齲病發病率已經達到66%，35～44歲的中年人齲齒患病率超過了88%。一方面“有洞為齲”的傳統觀念造成了人們對齲病早期預防的忽視，另一方面早期齲、隱匿性齲沒有顯著的臨床表現，一旦發生不適癥狀，常引起牙髓炎、根尖炎，伴隨感染、腫痛、牙齒缺失等口腔疾病[2]。重度齲病會成為與全身系統性疾病相關的感染灶，比如類風濕性關節炎和風濕性心臟病等[3]。

傳統的齲齒檢測方法主要包括視診、探診和X光片等。視診作為一種齲齒檢測手段，因為過分依賴于口腔醫生的視力和經驗，從而導致主觀性過強，容易引起誤診[4]。探診是通過尖銳物體觸壓牙釉質表面，并且根據探入深度判斷齲損程度。該檢測方式直接將外力作用于牙齒硬組織，可能導致牙釉質的不可修復性破壞[5]。X光片是一種客觀靈敏的齲齒檢測手段，但被檢查者會處在射線的輻射中，不適合長期多次檢測[6-7]。目前在齲齒診斷方面，光學方法是應用較廣的方法。因其具有無損、客觀、可視、定量等優勢，而受到廣大研究人員的關注[8]。利用光學技術發展的多種無損齲齒檢測方式主要包括3類[9]：① 基于牙齒自體熒光效應的激光齲齒檢測儀；② 基于散射效應的數字成像光纖透射術和定量光導熒光技術；③ 基于牙齒雙折射效應的偏振敏感光學相干層析術和偏振拉曼光譜技術等。綜合考慮到診斷方法的實施手段、可靠性及成本等問題，熒光技術是公認的最有前景的早期齲病診斷技術[10]。

本研究基于牙齒自體熒光效應和“互聯網+醫療”的創新理念，集傳感、數據無線傳輸和互聯網概念，利用405 nm紫外光激發牙齒的自體熒光，經成像系統成像后，通過無線傳輸系統將牙齒檢查圖像傳輸到手機伢偵探APP（用戶端APP）上顯示，醫生通過伢偵探APP（醫生端APP）遠程看診，通過電子檢查單的形式給出具體的診斷和治療的建議，反饋給用戶，實現齲齒診斷。

1 齲齒的熒光特點

1.1 齲齒的早期病理表現

牙釉質和牙本質主要由有機物和無機物（羥基磷灰石）構成[11]，正常情況下牙釉質處在脫礦與再礦化的動態平衡中。當口腔中的細菌與唾液中的糖類及食物殘渣結合時，它們會附著在牙齒的表面或凹坑、裂縫上形成菌斑。研究表明，致齲菌斑的主要分泌物有酸性物質變異鏈球菌和乳酸桿菌，這些細菌會造成牙釉質再礦化的速度小于脫礦的速度。當再礦化的速度不斷降低，原有的動態平衡逐漸被破壞，礦物質流失導致牙釉質疏松多孔，因此牙釉質脫礦是齲齒的早期病理表現。

1.2 牙齒熒光光譜的差異性

牙釉質和牙本質由于含有有機質，在紫外光激發下會產生自體熒光[12]。各部分物質不同的構成比例會造成所產生的熒光光譜的差異性，例如在紫外光激發下，有機物構成比例相對小的牙釉質呈現綠色，而有機物構成比例大的牙本質則呈黃色。齲病相關微生物、牙菌斑、牙本質、牙釉質以及其他牙齒內組織都可以被激發出熒光，但各自的熒光特性不同。

激光誘導熒光光譜可分為外源性熒光和自體熒光兩種：前者在待測生物體內添加外源性熒光物質，然后根據激光誘導產生特征性的熒光來診斷；后直接通過激光誘導生物組織產生自體熒光。自體熒光的光譜特性主要取決于生物組織的光學特性（輻射、反射、吸收及各向異性等）[13-14]。由于生化組成成分和形態結構的差異性，不同組織各自具有獨特的光學特性和光譜特征[14]。在同樣條件的激發光誘導下，正常組織和病變組織產生的自體熒光光譜明顯不同，因此可以利用熒光光譜差異性來區分正常組織和病變組織，實現“光學活檢”[10,15]。

1.3 在4 0 5 n m激發光下牙齒的熒光特性

現有研究指出，在405 nm光源激發下成熟的牙菌斑會產生紅色自體熒光，覆有牙菌斑和牙結石的牙齒表面同樣會產生紅色的自體熒光，活躍性齲損組織也可產生紅色自體熒光，即波峰在630 nm左右的發射光譜[10]。細菌的特異性代謝產物卟啉物質特別是原卟啉，是公認的紅色熒光的主要貢獻者[15-16]。

在405 nm光激發下，作為牙齒無機礦物組織的固有熒光分布的羥磷灰石粉，其熒光光譜最大峰值位于約460 nm處，熒光分布，見圖1a；牙菌斑其熒光光譜最大峰值位于約630 nm處，熒光分布，見圖1b[17]。

圖1 在405 nm光導熒光下牙齒無機礦物質組織及牙菌斑熒光光譜圖

通過文獻記載實驗，對35顆牙齒樣本進行自體熒光光譜測量，其中8顆為正常的健康牙齒，14顆淺齲，9顆中齲，4顆深齲。不同齲損的牙齒樣本的熒光光譜結果，見圖2[17]。

從實驗結果可以看出，在405 nm光導熒光激發下，健康牙釉質和牙本質的熒光峰值在480 nm左右，熒光分布，見圖2a。從圖中可以明顯看出，牙本質的熒光光譜相比牙釉質更偏向紅波段，因此，牙體硬組織無機物的熒光主要分布在440～520 nm之間。不同齲損程度牙齒樣本的典型光導熒光光譜，見圖2b～d。齲損組織均呈現兩個波峰：第一個波峰處于460～500 nm之間，其峰位值與健康牙組織、牙本質、牙釉質及羥基磷灰石的峰位值相同，所以該區域自體熒光的主要貢獻者是牙體硬組織[9]；第二個波峰在600～700 nm之間，和牙菌斑的最強峰的位置一致，所以可判斷這主要是由牙菌斑代謝物產生的[10]。通常情況下，熒光發射強度與熒光基團分子的濃度成線性關系，光譜曲線也表明該區域的熒光強度隨齲損程度的增加而增加。

2 產品的設計

2.1 系統整體設計

在現有理論和實驗基礎上，我們開發了智能齲齒偵察儀，由偵察設備和手機APP軟件兩部分組成，偵察設備又包括光學成像系統、數據傳輸系統和充電模塊3個部分。外觀設計時，不僅考慮到簡單、大方的觀感，而且手持器使用醫用PC樹脂，外殼選用鋁合金材料，防水、防塵，確保衛生、安全、環保，設備結構圖，見圖3。

圖2 不同齲損的牙齒樣本的熒光光譜圖

圖3 智能齲齒偵察儀設備圖

2.2 光學成像系統設計

在光學成像系統設計中（圖4），選擇6顆貼片405 nm波長LED作為激發光源放置在探頭周圍。因為齲損組織在405 nm的光源激發下會發出紅色的自體熒光，該齲齒偵察儀以熒光顏色的差異來診斷牙齒的健康程度，所以選擇405 nm的激發光源作為特定的光源。

圖4 光學成像系統

在圖像采集部分通過熒光濾光片，濾掉激發光及其他雜散光，顯示出齲損組織明顯的紅色光譜，經鏡頭聚焦后感光元件接收透過濾光片的熒光，將光信號轉換成模擬電流信號，電流信號經過放大和模數轉換，實現圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現，傳給FH8610無線攝像機圖像信號處理芯片。FH8610是一款針對圖像傳感器、面向中低端無線攝像機應用的視頻編碼芯片，支持多種CMOS傳感器，集成了智能去噪、圖像增強、色彩校正、自動曝光以及白平衡等圖像引擎；同時集成了H.264視頻與JPEG/MJPEG圖像編碼器，并能提供多種輸入/輸出與對外通信控制接口。它具有功耗低，分辨率高，配置靈活，系統成本低等特點。智能齲齒偵察設備對器件功耗和圖像處理要求較高，該器件非常適合本設備使用。

2.3 數據傳輸系統設計

數據傳輸系統選用marvell88w8801無線Wi-Fi智能模塊將圖像傳輸到手機軟件。88w8801是一款高性能、低功耗、體積小SDIO接口無線模組，能夠快速方便的與無線設備互相聯通，無線傳輸速率高達72.2 M，是普通11 B產品的10倍。智能齲齒偵察設備要求圖像無線傳輸效率高，且便攜式設備要求體積小功耗低。故該無線Wi-Fi智能模塊高集成單芯片設計，支持深度睡眠和待機模式的低功耗操作及支持客戶端實施IEEE省電模式等性能可滿足設備的性能要求。

2.4 手機APP軟件的設計與實現

手機APP軟件，命名為伢偵探，基于Android和iOS（iPhone Operating System）平臺設計，可安裝應用于Android和iOS兩大類系統中。伢偵探APP主要包括用戶個人的偵查日志、健康咨詢和健康貼士3個部分（圖5a～b）。牙齒偵察具有特異性，因此建立用戶個人的偵察記錄尤為重要。用戶可以登錄伢偵探APP并注冊個人賬號，生成個人偵察相冊，便于隨時查看。進入健康咨詢模式，可以訪問遠程醫生的信息（包括醫生科室，醫院定位等），根據信息選擇合適的醫生進行牙齒健康咨詢，可在聊天界面發送偵察圖像給醫生。醫生根據圖像分析牙齒健康狀況，給出合理建議，實現牙齒健康狀況的檢查。電子口腔檢查報告單，見圖5c。

3 產品測試及結果

該智能齲齒偵察儀內置1300 mAh高性能鋰電池，充電3 h即可，綠燈亮起表示充電完成，可固定在家庭或辦公室內使用。使用智能齲齒偵察儀可以清晰看到牙齒健康狀況，在臨床測試上，我們已經開展了社區義診活動，采集了大量齲病數據，具有代表性的圖片，見圖6。

根據偵察圖像，健康牙齒沒有或者極少有紅色熒光，對于早齲的牙齒，在它們發生齲損的部位能看到明顯的紅色熒光，這對醫生診斷早期齲齒有重要幫助。中齲的牙齒出現部分損壞，損壞嚴重部分的熒光顏色會加深。重度齲損的牙齒紅色熒光效果不明顯，但是有明顯的黑色。這些黑色部分表示牙齒大塊的脫落或者完全的侵蝕，已經形成空洞。

4 總結

本研究針對齲齒早期檢測問題，基于“互聯網+醫療”的創新理念，集傳感、數據無線傳輸和互聯網概念，設計了一款智能的齲齒偵察設備，并對該設備應用的理論基礎及各部分功能進行了詳細介紹。該設備可通過日常檢測牙齒檢查獲取個人牙齒的健康狀況等信息，并生成圖像傳輸到手機伢偵探APP上，同時可根據已獲得的牙齒圖像等信息遠程咨詢牙科醫生，實現對齲齒的早期診斷早期預防。實驗結果表明，該設備功能正常，運行穩定。后續將繼續完善功能，增加手機軟件上健康貼士的推送健康知識，以便用戶可以更好的了解牙齒健康常識。另外，未來將在大量搜集的圖像數據基礎上設計算法，自動分析牙齒健康狀況并給與反饋。

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