CC BY
66
УДК 615.471:616.31-073.524
А. N. Berezin3, M. L. Sinyaeva2, S. A. Shevchik1, G. L.Kisselev3, V. B. Loschenov1
FLUORESCENT DIAGNOSTICS DEVICES FOR ORAL CAVITY INFLAMMATORY DISEASES
1General Physics Institute, Moscow 2I. M. Sechenov Moscow Medical Academy 3Moscow Institute of Radio Engineering, Electronics and Automation
ABSTRACT
Devices and method of acquiring parodontal autofluorescent images is presented in this work. The first device is destined to register autofluorescence with low intensity that appears from pathological microflora. Device high sensibility is achieved with presence in the excitation spectra both violet and red component. This allows to excite big intensity fluorescence on the surface with radiation on 380-530 nm and in the depth of tissue with radiation on 640+50 nm. Autofluorescence registration is made on 690+ nm.
I0K-01-«Biospec» device is destined both for registration of microflora either teeth enamel autofluorescence. It is equipped with light emitting diodes and registration filter.
With the help of these devices 14 patients with parodontal tissue inflammatory disease and demineralization enamel nidus were examined. Autofluorescence visual data fits with spectroscopic investigation data carried out with spectrometer LESA-01-«Biospec».
Research results have demonstrated the efficacy of developed devices and FD method for demineralization enamel nidus and inflammatory disease localization.
Key words: PDT, FD, devices for FD, devices for PDT.
А. H. Березин3, М. Л. Синяева2, С. А. Шевчик1, Г Л. Киселев3, В. Б. Лощеное1
АППАРАТУРА ДЛЯ ФЛЮОРЕСЦЕНТНОЙ ДИАГНОСТИКИ ВОСПАЛИТЕЛЬНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ ПОЛОСТИ РТА
1Институт общей физики РАН, Москва 2ММА им. И. М. Сеченова 3МИРЭА, Москва
РЕЗЮМЕ
В настоящей работе представлены разработанные установки и метод получения аутофлюоресцентных изображений тканей пародонта. Первое устройство предназначено для регистрации аутофлюоресценции, в т. ч. низкой интенсивности, появление которой вызвано патологической микрофлорой. Высокая чувствительность устройства достигается тем, что возбуждающее излучение содержит не только УФ составляющую, как у системы QLF, но и красную составляющую. Благодаря этому удается возбуждать аутофлюоресценцию высокой интенсивности не только на поверхности с помощью излучения на длинах волн 380-530 нм, ноив глубине биологической ткани с помощью излучения на длинах волн 640+50 нм. Наблюдение осуществляется на длинах волн 690+ нм.
Устройство И0К-01-"Биоспек" предназначено для регистрации не только аутофлюоресценции микрофлоры, но и аутофлюоресценции эмали зубов и представляет собой портативный прибор для аутофлюоресцентной диагностики ротовой полости. Прибор оснащен возбуждающими светодиодами и фильтром для регистрации аутофлюоресценции зубов и микрофлоры.
С помощью данных устройств было обследовано 14 пациентов с заболеваниями тканей пародонта и кариесом. Данные по аутофлюоресценции, полученные визуально, соответствуют данным спектроскопического обследования, проведенного с помощью спектрометра ЛЭСА-01-"Биоспек".
Результаты исследований показали эффективность разработанной аппаратуры и метода ФД при локализации зубного камня, кариозного процесса, воспалительных процессов, вызванных патогенной микрофлорой.
Ключевые слова: ФД, заболевания пародонта.
КЛИНИЧЕСКАЯ ОНКОЛОГИЯ
57
ВВЕДЕНИЕ
Эпидемиологические исследования, проводимые ежегодно в различных странах, показывают, что болезни пародонта в стоматологии являются самыми распространенными и встречаются в разных группах населения. Проблема диагностики, профилактики и эффективного лечения заболеваний пародонта не решена.
В последнее время для диагностики и контроля за эффективностью лечения заболеваний твердых тканей зуба и пародонта все чаще используется метод аутофлюоресцентной диагностики [1; 3; 4]. В основе метода лежит регистрация фотонов, испускаемых молекулами при их переходе из возбужденного состояния в основное. Возбуждение молекул происходит вследствие поглощения ими квантов излучения ближнего ультрафиолетового или видимого диапазонов.
Для флюоресцентной диагностики твердых тканей зуба наиболее известны устройства DIAGNOdent, QLF-I (Quantitative Light-induced Fluorescence), QLF-II.
Серия QLF была создана для выявления ранних очагов деминерализации эмали [2]. Принцип действия основан на измерении интенсивности аутофлюоресценции в норме и патологии, которая зависит от абсорбционных и рассеивающих свойств зуба. Данные свойства изменяются при деминерализации эмали, что позволяет не только обнаружить ранний кариес, но и оценить величину минеральной потери, глубину и объем повреждения. При этом флюоресцентный сигнал, исходящий от измененных тканей зуба, значительно ниже, чем от окружающих здоровых тканей.
Аппаратура QLF представляет собой источник света, излучение которого с помощью световода и дентального зеркала передается на исследуемую поверхность. Наблюдение осуществляется с помощью миниатюрной телекамеры, оснащенной фильтрами. С видеокамеры изображение аутофлюоресценции передается на компьютер, где обрабатывается и выводится на экран [5-12].
Системы QLF-I и QLF-II отличаются источниками света [13], с помощью которых происходит возбуждение аутофлюоресценции. В системе QLF-I используется Ar+-лазер с длиной волны ^=488 нм, плотностью мощности 10-20 мВт/см2. Аутофлюоресценция зубов регистрируется на длине волны ^=540 нм и ^=610 нм.
В системе QLF-II в качестве источника излучения используется дуговая лампа (плотность мощности 13 мВт/см2), излучение которой формируется с помощью полосового светофильтра, пропускающего излучение в диапазоне 290-450 нм. Наблюдение осуществляется на длинах волн ^>520 нм.
Преимущество возбуждения в УФ-области спектра состоит в том, что максимум поглощения эндогенных порфиринов и их производных, ответственных за флюоресценцию в полости рта, находится именно в коротковолновой области.
Аппаратура QLF позволяет выявлять ранние повреждения с более высокой точностью, чем такие диагностические методы, как визуальный осмотр, радиографический, оптоволоконная трансиллюминация. Но данная аппаратура имеет и недостатки: известно,
что коротковолновое излучение очень сильно поглощается в биологической ткани, а следовательно, при возбуждении УФ и синим излучением будет видна только флюоресценция патологий, расположенных на поверхности ткани. Длинноволновое излучение проникает в ткань гораздо глубже, особенно если длина волны излучения находится в области 600-1500 нм.
Существует ряд публикаций о проведении аутофлюоресцентной диагностики с помощью диагностического аппарата Б1ЛОКОдеП; (КаУо) [14-16], источником излучения является полупроводниковый лазер с длиной волны ^=655 нм. Флюоресцентный сигнал анализируется. Если интенсивность флюоресцентного сигнала большая, то прибор подает звуковой сигнал. Устройство с успехом применяется как у детей, так и у взрослых, выявляя скрытые очаги деминерализации эмали и повреждения в дентине. Однако устройство не позволяет получать флюоресцентные изображения, а метод точечной спектроскопии, применяемый в приборе, требует больших временных затрат для проведения полного обследования полости рта.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Нами были созданы установки и разработан метод получения аутофлюоресцентных изображений тканей пародонта. В этих устройствах мы постарались устранить недостатки, присущие вышеописанным.
Первое устройство предназначено для регистрации аутофлюоресценции, в т. ч. низкой интенсивности, появление которой вызвано патологической микрофлорой. Устройство представляет собой металлогалоидный источник света, оснащенный фильтрами, пропускающими излучение во всем видимом диапазоне спектра, кроме узкой полосы в области флюоресценции. Чувствительная камера, оснащенная спектрально-селективной оптической системой, предназначена для регистрации флюоресценции (рис. 1).
Рис. 1. Устройство аутофлюоресцентной диагностики ротовой полости на основе металлогалоидной лампы
Высокая чувствительность устройства достигается тем, что возбуждающее излучение содержит не только УФ составляющую, как у ОЬБ, но и красную составляющую (рис. 2). Благодаря этому удается возбуждать аутофлюоресценцию высокой интенсивности не только на поверхности с помощью излучения на длинах волн 380-530 нм, но и в глубине биологической ткани с помощью излучения на длинах волн 640+50 нм. Наблюдение осуществляется на длинах волн 690+ нм (рис. 3).
100,1%
.1
I
01/ ._______________ I —... - J __________|
400 500 600 700 800 900 1000 И 00).,нм
Рис. 2. Спектральная характеристика излучения источника света
100-1%
о j_________ Мм
700 800
Рис. 3. Спектральная характеристика пропускания фильтра приемника аутофлюоресцентных изображений
Второе устройство — ИОК-01-«Биоспек» предназначено не только для регистрации аутофлюоресценции микрофлоры полости рта, но и для регистрации аутофлюоресценции эмали зубов и представляет собой портативный прибор для аутофлюоресцентной диагностики ротовой полости, созданный на основе Satellite Scope DP-6. Satellite Scope DP-6 — это беспроводная интраоральная камера, предназначенная для осмотра ротовой полости и зубного ряда. Основным достоинством данного прибора является его компактность, при высокой разрешающей способности (760 000 пикселей при размере объектива 1/4 дюйма) и большой глубине резкости, наличие специальной приставки для передачи изображения с прибора на устройство обработки и вывода по радиоканалу.
Прибор модифицирован для наблюдения аутофлюоресценции: он дополнительно оснащен возбуждающими светодиодами и фильтром для регистрации аутофлюоресценции зубов и микрофлоры (рис. 4). При использовании интраоральной камеры со светодиодами, излучающими на длине волны 407 нм, возможно наблюдение только поверхностных очагов поражения из-за неглубокого проникновения коротковолнового излучения в биологическую ткань.
Рис. 4. Устройство для аутофлюоресцентной диагностики на основе интраоральной камеры
В режиме аутофлюоресцентной диагностики стандартные осветительные диоды, входящие в состав устройства, выключаются, т. к. могут помешать наблюдению аутофлюоресценции. Исследуемая поверхность освещается возбуждающими флюоресценцию светодиодами, излучающими на длинах волн 405+10 нм. Широкополосный фильтр устанавливается перед объективом камеры и пропускает аутофлюоресцентное излучение на длинах волн 500-750 нм. При этом флюоресценция эмали зубов регистрируется в зеленом диапазоне спектра, а микрофлоры — в красном. Модификация устройства не мешает проведению диагностики в естественном свете.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 5 приведены спектры интенсивности аутофлюоресценции очагов деминерализации эмали в области 11 и 21 зубов пациента С., полученные с помощью спектрометра ЛЭСА-01-«Биоспек». Для сравнения приведены спектры неизмененной эмали и слизистой оболочки десны. На графиках видна большая разница в интенсивности аутофлюоресценции здоровой и поврежденной ткани. На рис. 6 приведено изображение полости рта этого же пациента, полученное с помощью устройства на основе металлогалоидной лампы. Данные по аутофлюоресценции, которые можно получить визуально, соответствуют данным спектроскопического обследования.
КЛИНИЧЕСКАЯ ОНКОЛОГИЯ
700 \
«50 1 ч
600 \г
550 1
450
400
330
300
290
200 3, : У.
160 *4
100
50 IV С,
400 460 500 550 «00 МО 700 750 600 850 900 950
і
А Б
Рис. 7. Аутофлюоресцентное изображение вторичного кариозного процесса в области дефекта пломбы 46 зуба (А) и изображение 46 зуба в естественном свете (Б)
Рис. 5. Аутофлюоресценция пародонта пациента С.:
1. спектр интенсивности аутофлюоресценции очага деминерализации эмали 11 зуба;
2. спектр интенсивности аутофлюоресценции воспалительного процесса межзубного сосочка 31/41;
3. спектр интенсивности аутофлюоресценции неизмененной эмали;
4. спектр интенсивности аутофлюоресценции неизмененной слизистой оболочки десны
А Б
Рис. 8. Изображение аутофлюоресценции микрофлоры зубного камня в области резцов нижней челюсти (А) и изображение зубного камня в области резцов нижней челюсти в видимом свете (Б)
Рис. 6. Изображение аутофлюоресценции полости рта пациента С., полученное с помощью устройства на основе металлогалоидной лампы
На рис. 7-10Б приведены аутофлюоресцентные изображения микрофлоры зубного налета, зубного камня, пломбы 46 зуба, микрофлоры в подслизистой части десны.
В связи с тем, что для возбуждения аутофлюоресценции с помощью интраоральной камеры используются светодиоды с длиной волны 407 нм, мы можем наблюдать аутофлюоресценцию поверхностной микрофлоры и воспалительные процессы, локализованные близко к поверхности ткани. Для наблюдения воспалительных процессов, происходящих в глубине ткани, предлагается использовать устройство на основе металлогалоидной лампы. Можно также в интраоральной камере заменить светодиоды и фильтр так, чтобы возбуждение и наблюдение аутофлюоресценции производить в красном диапазоне длин волн.
А Б
Рис. 9А. Изображение аутофлюоресценции микрофлоры:
1 — зубного камня в пришеечной области резцов нижней челюсти; 2 — в подслизистой части десны в области шеек резцов нижней челюсти. На лингвальной поверхности резцов зафиксирован ортодонтический проволочный ретейнер
Рис. 9Б. Изображение зубного камня в области резцов нижней челюсти и пришеечной области десны в видимом свете. На лингвальной поверхности резцов зафиксирован ортодонтический проволочный ретейнер
ШУ
А Б
Рис. 10А. Аутофлюоресцентное изображение:
1 — здоровой эмали 35 зуба; 2 — подповерхностного кариозного процесса на дистальной поверхности 35 зуба
Рис. 10Б. Аутофлюоресцентное изображение здоровой эмали и подповерхностного кариозного процесса на дистальной поверхности 35 зуба
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты наших исследований показали эффективность разработанной аппаратуры и метода ФД при локализации зубного камня, кариозного процесса, воспалительных процессов, вызванных патогенной микрофлорой. Устройство на основе металлогалоидной лампы может быть использовано не только для диагностики, но и для проведения фотодинамической терапии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Al-Khateeb S., Ten Cate J. M., Angmar-Mensson B. et al. // Adv. Dent. Res. — 1997. — Vol. 11. — P. 502.
2. Amaechi B. T., Higham S. M. // J. Biomed. Optics. — 2002.
— Vol. 7(1). — P. 1.
3. Ando M., Analoui M., Schemehorn B., Stookey G. // SPIE. —
1999. — Vol. 3593. — P. 148.
4. Bennett T. Amaechi, Susan M. Higham Use of Quantitative Light-induced Fluorescence to monitor tooth whitening / Lasers in Dentistry VII. P. Rechmann, D. Fried, T. Hennig (eds.). — Proceedings of SPIE. — 2001. — Vol. 4249.
5. Danilo Duarte, Yara Piarengeli, Claudio Fonseca et al. Deciduos Teeth Occlusal Caries Detection with 655 nm Diode Laser Confirmed by Surface Scanning Electron Microscopy / Lasers in Dentistry VI. J. D. B. Featherstone, P. Rechmann, D. Fried (eds.). — Proceedings of SPIE. — 2000. — Vol. 3910.
6. Duarte D., Fonseca Y., Zanin,F., Brugnera A. Junior // SPIE.
— 2000. — Vol. 3910. — P. 297.
7. Zanin F., Pinheiro A., Campos D. H. S. et al. Caries diagnosis using laser fluorescence / In Lasers in Dentistry VI. J. D. B. Featherstone, P. Rechmann, D. Fried (eds.). — Proceedings of SPIE. — 2000. — Vol. 3910.
8. Lizarelli R. F., Bregagnolo J. C., Lizarelli R. Z. et al. // SPIE.
— 2000. — Vol. 3910. — P. 219.
9. Ando M., Analoui M., Schemehorn B., Stookey G. Comparison of light-induced and laser-induced fluorescence methods for the detection and quantification of enamel demineralization // Part of the SPIE Conference on lasers in Dentistry V San Jose, California, January, SPIE. — 1999. — Vol. 3593.
10.Stookey G. K., Isaacs R. L., Zandona A. F. et al. // SPIE. —
1999. — Vol. 3593. — P. 154.
11. Takamori K., Hokari N., Okumura Y., Watanabe S. Detection of occlusal caries under sealants by use of a laser fluorescence system // J. Clin. Laser. Med. Surg. — 2001. — Vol. 19. — P. 267-271.
12.Tarnaeus S., Al-Khateeb S., Bjorkman S. et al. // Eur. J. Oral. Sci. — 2001. — Vol. 109 (2). — P. 71.
13.Tranx:us S., Shi X. Q., Trollses K. et al. // SPIE. — 2000. — Vol. 3910. — P. 235.
14.Technical Manual for Quantitative Light-Induced Fluorescence. Version 2000. — Inspector Research Systems BV. — Amsterdam, The Netherlands.
15. Veen M. H., De Jong J. E., Faller R. V // Oral Sci. — 2000.
— Vol. 17. — P. 144.
16.Zanin F., Pinheiro A., Souza-Campos D. H. et al. // SPIE. —
2000. — Vol. 3910. — P. 290.
