利用时间分辨反射成像对病变活动进行体外评估

本文要点：本研究的目的使用单光电探测器的时间分辨反射成像系统，在1300 nm和1950 nm波长下通过水的不同吸收来评估龋齿病变的活动性。在强制空气干燥60秒期间，同时监测1300 nm和1950 nm波长下10个活动病变和10个停止病变在邻面和5个活动病变和5个停止病变在咬合面的反射率。使用微型计算机断层扫描（microCT）测量的高度矿化表面区用来指示病变活动性。获得的短波红外（SWIR）强度随时间脱水曲线中提取多个动力学参数，用来评估病变活动性。由于水的不同吸收，在1300 nm和1950 nm波长下获得的曲线反射率差异在区分活动病变和停止病变上比单独使用1950 nm波长效果更好。本研究表明，使用一个在1950 nm波长下工作的单光电探测器来收集脱水曲线以评估病变活动性是可行的，并且使用两个具有不同水吸收的SWIR波长的系统可以提高病变活动性评估的性能。

图1. 本研究中使用的红色框中显示的活动性病变（A）和绿色框中显示为停滞性病变（B）

牙齿使用微计算机X射线断层扫描（microCT）成像，分辨率为10微米。共检查了120颗牙齿的microCT图像，选择了10颗具有邻面病变和5颗具有咬合面病变的停止病变牙齿，以及10颗具有邻面病变和5颗具有咬合面病变的活动病变牙齿。停止病变的表面区域矿物质含量高，接近健康牙釉质，而活动病变则缺乏高度矿化的表面区域。通常牙齿上存在的病变只部分再矿化，同时具有活动和停止区域。本研究中使用的活动和停止病变的可见图像和microCT图像如图1所示。活动病变的病变体上方没有高度矿化的表面区域，但在停止病变中则清晰可见。

图2. 强制空气脱水过程中时间分辨反射率测量的实验装置

在60秒干燥过程中使用加压空气喷嘴，从30颗牙齿中获取时间分辨SWIR强度测量。图2所示的实验装置包括两个操作在1300 nm和1950 nm的光纤光源。1300 nm光源是一个中心波长为1310 nm、带宽为100 nm的扫描激光源。第二个光源的中心波长为1949 nm，带宽为0.07 nm，输出功率为20 mW。两个光源都连接到光纤开关，以每秒4次的切换频率进行切换，因此每个60秒脱水运行的每个波长有120次读数。SWIR光通过光纤准直器传递到牙齿表面，光斑直径为320 µm（全宽半高），520 µm（1/e2）。每颗牙齿被放置在镀铑椭球镜的一个焦点上（如图2所示），InGaAs探测器被放置在椭球镜的另一个焦点上以检测反射光。计算机控制的空气喷嘴，孔径为1 mm，距离样品3 cm。20颗具有邻面病变的牙齿在5 psi下干燥，10颗具有咬合面病变的牙齿在10 psi下干燥。每组分别由一半的活动病变和一半的停止病变组成。两个对准激光器，红色和绿色二极管激光器，以及一个相机和显示屏用于将牙齿表面对准椭球镜的第一个焦点。红色激光通过光纤与SWIR激光器耦合，而绿色激光放置在图2所示的位置。样品存放在潮湿环境中以保持内部水合，并在安装和进行测量前浸泡在水浴中。从水浴中取出每个样品后，启动程序，激活压缩空气喷嘴，使样品脱水60秒。

图3.（左侧）两个活动性（a）和停滞性（b）咬合损伤的标准化脱水曲线。红色实线表示1950nm曲线，蓝色虚线表示1300nm曲线。粗黑色实线表示1300/1950差曲线，从1300nm曲线中减去1950nm曲线

图4.（右侧）10个近端病变在1950 nm处获得的归一化脱水曲线（a）以及相应的1300/1950差异曲线（b）。红色实线表示活动性病变部位的曲线，蓝色虚线表示停滞的病变部位

图3显示了从活动和停止的咬合面病变中获取的脱水曲线示例。对于活动曲线，1950 nm的强度从接近零开始，迅速上升并达到一个平台。在1300 nm的初始强度不为零，且强度上升的幅度远小于1950 nm。对于停止病变，在1950 nm的强度上升速度要慢得多，且可能在60秒内未完全上升。对于1300 nm的曲线，活动和停止病变的脱水曲线没有观察到大的差异，而显得非常相似。对于活动病变，1300 nm减去1950 nm的差异曲线迅速降至零，且强度不再变化。由于一些脱水曲线在开始时会有峰值，因此曲线是相对于曲线的最终点进行归一化的，而不是最高点。因此，某些曲线的峰值强度可能超过1.0。对于停止病变的差异曲线，强度缓慢接近零。差异曲线下面的面积提供了病变中剩余活动水量的度量。当病变中存在最多量的活动水时，两种波长之间的强度差异最大，随着水分流失，归一化曲线趋于收敛。

图4显示了5个活动和5个停止的邻面病变的1950 nm脱水曲线以及1300/1950 nm差异曲线。其中一个活动病变的1950 nm曲线在初始峰值后显示出强度的轻微下降，导致差异曲线在5秒后降至零强度以下。图5显示了所有咬合面病变的曲线，包括5个活动病变和5个停止病变。这些曲线表现出与邻面病变的活动和停止曲线类似的行为。一个活动病变的曲线在3秒附近出现了强烈的强度尖峰。在之前的脱水研究中已经观察到活动病变的这种尖峰现象。

图5. 10个咬合损伤在1950 nm处获得的归一化脱水曲线（a）以及相应的1300/1950 nm差异曲线（b）。红色实线表示活动性病变部位的曲线，蓝色虚线表示停滞的病变部位

从1950 nm曲线中提取的两个参数Delay和ΔI在活动病变和停止病变之间无显著差异，无论是哪种病变类型。从1950 nm曲线的Hill拟合中提取的速率在活动和停止的咬合病变之间存在显著差异，但在邻面病变中没有显著差异。从1950 nm曲线中提取的%Ifin在活动病变和停止病变之间无论是咬合还是邻面病变均存在显著差异。从差异曲线中提取的两个参数，Diff Intensity（强度下降到0.1的时间）和指数拟合的衰减速率（Diff Exp Fit）在活动和停止病变之间均显示出大的显著差异，无论是咬合还是邻面病变。表中还显示了每个参数和病变类型的活动和停止病变之间均值的比率。最大的比率是Diff Exp Fit，在所有30个病变中平均为38；其次是Diff Intensity为13，1950%Ifin为9。因此，1300/1950 nm差异曲线在咬合和邻面病变之间提供了更好的活动和停止病变区分。

对1950 nm处获取的脱水曲线的分析表明，两个参数在区分活动和停止病变方面并不像使用InGaAs FPA那样有用。在之前的两项研究中，从1950 nm和1450 nm曲线中提取的三个参数Delay、%Ifin和速率（Hill Fit）在活动病变和停止病变之间均有显著差异。在本研究中，只有%Ifin在两种病变类型中均显著不同，而速率（Hill Fit）仅在咬合病变中显著不同。使用单探测器设备未观察到活动病变的强度上升大延迟，因此Delay在区分活动和停止病变时不是一个有用的参数。差异的可能原因是较大的成像光斑尺寸和病变表面区域外散射光的污染，因为椭球镜收集了所有大角度散射/反射的光。而对于FPA图像，使用的是直径为15-25 µm的像素焦平面阵列，聚焦在牙齿表面，并通过小孔径排除散射光。

最近的研究表明，ΔI并不是区分活动病变和停止病变的可靠参数，而且由于病变的深度和严重程度事先未知，因此不适合用于体内测量。%Ifin和速率反映了脱水过程的动力学，对病变的深度和严重程度的依赖性较小。复杂动力学参数的计算，例如差异曲线的指数衰减率和%Ifin，需要对脱水曲线进行拟合，这可以很容易地自动化以便快速计算。%Ifin参数在仅基于1950 nm的情况下提供了最好的区分活动病变和停止病变的性能，并且在之前使用FPA的研究中表现良好，这表明它比其他参数更稳健，且对成像条件的依赖性较小。

本研究除了展示单点设备的价值外，还表明获取多光谱脱水曲线可以有效改善活动和停止病变的区分。将较短波长与较长SWIR波长（如1950 nm）结合，除了获取脱水差异曲线外还有其他优点。当表面水合良好时，由于强水吸收，特别是在1450和1950 nm波长处，很难对牙齿进行长波SWIR成像。牙齿在这些波长下湿润时几乎完全呈黑色。在口腔环境中，很难确定被成像的牙齿区域以及牙齿表面是否在焦点上。因此，从1000–1300 nm的较短波长获取同时图像应提供其他实际优势。1000 nm的光可能比1300 nm更适合作为第二个波长，因为1000 nm的水吸收比1300 nm更低，并且在健康牙釉质中的光散射更大，从而提高牙齿表面的可见度。为了在光谱响应从1000–1750 nm的常规InGaAs FPA上使用多光谱方法，1950 nm的替代波长是必要的，比如1450 nm，尽管较弱，但重叠了另一个水吸收带。使用替代InGaAs的半导体材料开发的新SWIR成像设备正在研制中，用于大成像阵列，这些设备在较长SWIR波长（如1950 nm）下比InGaAs具有更高的灵敏度。

本研究表明，使用单个工作在1950 nm波长的光电探测器的设备收集脱水曲线以评估病变活动性是可行的，并且采用两个具有不同水吸收的SWIR波长的系统在评估病变活动性方面可以有更好的性能。

参考文献

Wycoff, S., Zhu, Y. & Fried, D. In vitro Assessment of lesion activity using simultaneous time-resolved reflectance imaging at 1300 and 1950 nm. Lasers Med Sci 39, 223 (2024).

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