基于QLF原理的龋齿探测方法中光学参量变化分析

通过建立完整的病变牙齿模型和龋齿病变程度判据,利用蒙特卡罗仿真算法编程,完整模拟了牙齿组织中荧光的激发和传输过程,探讨了牙齿组织病变程度引起的光学参量变化与QLF荧光分布的关系.同时,利用Tracepro软件的荧光仿真功能验证了该过程的合理性.结果表明:随着龋齿部分病变程度增大,散射系数增大,吸收系数和荧光量子效率减小,健康组织和病变组织荧光分布差异增大.     

牙齿组织自体荧光光场仿真分析

利用有限元数值方法对扩散方程进行求解,将激发光场作为荧光传输扩散方程的光源,获得了二维牙齿模型内部自体荧光光场的分布。讨论了牙釉质和牙本质不同散射系数时牙齿上表面的荧光能量分布。发现牙齿上表面荧光能量随牙釉质散射系数的增大而降低,随牙本质散射系数的增大而增大。并对牙釉质和牙本质的散射系数的改变量对荧光能量的影响进行了定量分析,结果表明βe=2.62,βd=0.0502,牙釉质散射系数的改变对荧光能量的影响远远大于牙本质。利用Monte Carlo随机统计方法对牙齿组织自体荧光进行仿真,发现与有限元结果吻合较好,验证了有限元求解组织体荧光光场分布的正确性。     

基于荧光特征光谱的龋齿诊断新技术

通过研究激光与牙齿组织相互作用机理及组织再发射光谱与组织光学特性之间的关系,提出了一种将后向散射光,反射光以及自体感生荧光三者相结合的新型荧光光谱龋齿诊断方法.激光与龋齿相互作用过程中,不仅产生反射光,还会产生自体荧光和后向散射光,而这些后向散射光和自体荧光含有有关龋齿组分、结构、空间构象等的大量信息.为了获得三种信息和龋损状态的关系,实验建立了离体龋齿的组织光谱诊断装置,该装置以频率与细菌特征频率相近的He-Ne激光为激励源,激光器的功率为(2.0±0.1) mW,在不采用滤光片的情况下获得了104个离体样本的荧光光谱,以瑞利散射为特征光谱的标准化参数,定义了表征组织形态变化的反斯托克斯散射归一化系数C1和表征牙组织病理变化的斯托克斯荧光归一化系数C2,结合两者对离体龋齿的龋损状态进行表征.实验结果表明,该方法克服了现有的激光龋齿诊断方法的不足,能够准确表征离体龋齿的龋损状态,并且对早期的白点龋,填充的牙齿和牙结石的诊断更敏感.     

牙齿龋齿损伤可见-近红外光谱偏振检测研究

针对不同龋齿损伤程度有效表征问题,探究一种光谱偏振无损低耗的检测方法,作为对常规检测方法如化学分析法、表面轮廓测定法、显微放射照相术的有益补充。牙齿龋齿损伤由脱矿溶解牙釉质与牙本质的钙与磷酸盐造成,牙齿组织表面微观结构发生了不同程度的变化,结构的变化导致其对光波散射特性与相位改变呈现不同程度的差异。基于偏振光谱对观测样本表面微观结构敏感的特征,不同龋齿损伤样本其表面微观结构变化与偏振信息强烈关联,提出一种光谱偏振有效表征牙齿龋齿损伤度的方法。分别选取450,550,670和860 nm四个不同观测光谱研究波段,选择六个不同龋坏程度的实验样本,选取偏振度参量描述不同牙齿样本的光谱偏振特性。实验结果表明,同一观测光谱波段随着牙齿龋坏程度的加深其偏振度表征参量呈现增加趋势,同时,对于同一观测样本450 nm光谱波段的偏振特性强于其他波段,呈现观测光谱波段与其偏振特性负相关关系。为进一步定量刻画偏振光谱与牙齿龋坏损伤等级的表征关系,构建光谱偏振特征参量与不同损伤等级牙齿样本的指数关联数学模型,通过数学模型解译其内在耦合关联。为有效验证构建模型的稳健性,对模型仿真预测结果与实测数据进行定量化验证,选取和方差（SSE）、模型确定系数（R-square）、均方根（RMSE）等评价因子对构建的模型进行定量评判。结果表明,四个不同光谱波段的模型确定系数均接近于1,和方差与均方根数值均较小,且450nm观测光谱波段接近于0,定量评价结果验证了构建模型的稳健性与有效性,构建模型可有效解译不同龋齿样本与光谱偏振特征的耦合关联。该研究内容有效扩展了牙齿龋齿检测方式,揭示了光谱偏振可有效表征龋齿损伤,发展了一种无损低耗的新型偏振光谱检测技术手段。     

牙齿组织光学穿透深度有限元仿真分析

利用有限元方法对光在二维牙齿双层有限尺寸模型中传输的扩散方程进行求解,获取了光能在组织体内部的分布情况,并对牙釉质和牙本质在不同光学参量模型下的光学穿透深度进行仿真分析.结果发现,穿透深度随牙釉质散射系数的增大而减小,随牙本质的散射系数增大而增大.但牙釉质的穿透深度随散射系数的变化率(βe=0.00797)要远远大于牙本质(βd=0.000828).采用MonteCarlo随机统计方法验证了本文有限元求解扩散方程的正确性.     

光谱技术检测鲜红斑痣病变程度的MC模拟

在分析鲜红斑痣病理的基础上,根据病变程度改变真皮上层血液层的厚度,并建立相应的光学模型,确定其组织光学参数.通过Monte Carlo模拟,得出：鲜红斑痣皮肤反射光谱与荧光光谱均可反映鲜红斑痣皮肤病变程度,特别是血管直径的变化;当血管直径增大时,鲜红斑痣皮肤反射光谱反射率与荧光光谱强度均明显下降.研究表明反射光谱和荧光光谱可能应用于判断或分析鲜红斑痣皮肤的病变程度,从而为鲜红斑痣的临床治疗方案及治疗效果提供参考.     

牙齿组织光学穿透深度有限元仿真分析

利用有限元方法对光在二维牙齿双层有限尺寸模型中传输的扩散方程进行求解,获取了光能在组织体内部的分布情况,并对牙釉质和牙本质在不同光学参量模型下的光学穿透深度进行仿真分析.结果发现,穿透深度随牙釉质散射系数的增大而减小,随牙本质的散射系数增大而增大.但牙釉质的穿透深度随散射系数的变化率（βe=0.007 97）要远远大于牙本质（βd=0.000 828）.采用Monte Carlo随机统计方法验证了本文有限元求解扩散方程的正确性.     

牙齿组织光热动态特性仿真与试验研究

调制激光作用牙齿组织发生散射形成光子密度波, 而由于光热效应产生热波, 基于一维介质辐射传输漫射近似方程与一维热传导方程建立了调制激光作用牙齿组织半透明混合介质的一维热波数学模型. 利用该模型仿真分析了牙齿龋损特性参数(牙釉质龋损层光吸收系数、散射系数、热扩散系数及龋损深度)对光热辐射动态响应特性的影响与规律. 利用红外探测器(HgCdTe, 2–12 μm)记录808 nm半导体激光激发牙齿组织产生的热波信号, 由锁相放大器计算热波信号的幅值与相位. 通过频率扫描试验获得了牙齿组织的光热动态响应, 利用多参数最佳统计拟合方法得到了牙齿组织特性参数. 结果表明光热辐射测量对牙齿组织不均匀性和龋损特性均具有较高敏感性与特异性.     

单颗粒稀土微/纳晶体上转换荧光行为的光谱学探究

利用激光共聚焦显微镜系统研究了系列单颗粒NaYF_4:Yb/Er微晶的上转换荧光强度、空间分布和动力学过程.结果表明:荧光强度和动力学过程不但依赖于样品的长径比,而且依赖于样品的具体制备途径.荧光强度和红色荧光寿命随样品长径比的增大而增大,在具有相同长径比的NaYF_4:Yb/Er微米棒中,相比于调柠檬酸的量,调控pH制备的样品展示了更优异的上转换荧光特性.更有趣的是:不同样品的荧光图案展示了异向空间分布,暗示了其在编码和显示等领域的应用优势.荧光特性依赖于样品长径比和制备过程的物理机理被进一步研究和揭示:在微米晶体内,荧光强度主要依赖于样品的晶格内Na~+缺陷的数量.该研究为高效上转换荧光材料的合成积累了数据,而NaYF_4:Yb/Er微晶中红色荧光寿命对晶格缺陷更加敏感的特性也可能使其成为晶格结晶度的探针.     

离体龋齿的光热锁相成像检测试验

牙齿龋损是人类一种广泛存在的口腔疾病,如何能够尽早的发现早期龋齿,对患者牙齿龋损的预防与治疗具有重要意义。介绍了基于光热效应的光热锁相热成像技术,光热锁相热成像技术具有无损伤、高效率及探测面积大等优势被广泛应用于各类材料的无损检测。基于光热锁相热成像技术原理对人为模拟龋损的人类离体牙齿组织进行成像检测试验研究。首先开展了对不同模拟龋损位置离体牙齿的光热锁相成像试验,采用防酸指甲油对牙齿组织测试面进行开窗受控龋损(开窗大小为5 mm×5 mm),其中模拟龋损部位分别选择在牙齿组织的邻接面及牙颌面。试验结果显示,牙齿组织模拟龋损位置热波幅值增大,相位滞后增大且光热锁相成像的幅值图与相位图与X射线成像相比对模拟龋损部位表现出高敏感及高特异性;光热锁相成像技术对邻接面龋损比牙颌面龋损具有较高特异性。其次开展了对平滑面牙齿组织样本的多天(0,1,2,4及6 d)模拟龋损光热锁相成像跟踪试验研究,牙齿组织龋损程度采用X射线方法进行量化。试验结果表明,当龋损时间小于6 d时,X射线方法无法对龋损位置进行有效识别,而采用光热锁相热成像技术检测模拟龋损1 d的牙齿组织时,幅值差为3.82,相位差为10.57°,证明光热锁相热成像方法对牙齿组织龋损具有较高敏感性。提取的光热锁相成像幅值与相位与龋损时间具有良好的相关性。     

Evaluation of enamel crystallites in subsurface lesion by microbeam X‐ray diffraction

Early caries lesion is a demineralization process that takes place in the top 0.1 mm layer of tooth enamel. In this study, X‐ray microbeam diffraction was used to evaluate the hydroxyapatite crystallites in the subsurface lesion of a bovine enamel section and the results are compared with those obtained by transversal microradiography, a method commonly used for evaluation of tooth mineral. Synchrotron radiation from SPring‐8 was used to obtain a microbeam with a diameter of 6 µm. Wide‐angle X‐ray diffraction reports the amount of hydroxyapatite crystals, and small‐angle X‐ray scattering reports that of voids in crystallites. All three methods showed a marked decrease in the enamel density in the subsurface region after demineralization. As these diffraction methods provide structural information in the nanometre range, they are useful for investigating the mechanism of the mineral loss in early caries lesion at a nanometre level.     

A Simultaneous Analysis of Microregions of Carious Dentin by the Methods of Laser-Induced Fluorescence and Raman Spectromicroscopy

Optics and Spectroscopy - Using laser-induced fluorescence and Raman spectromicroscopy methods, an analysis of microregions of the human tooth dentin tissue affected by caries was performed within...     

Numerical and experimental study of excited light and auto-fluorescence diffusion in teeth

Excited light and corresponding intrinsic fluorescence diffusion inside teeth tissue are an essential problem for light-based carious lesion detection. Based on finite element numerical analysis of diffusion equation, the photon density distribution of both excited light and autofluorescence of 2D premolar teeth model is obtained. The dependence of excited light and autofluorescence density distribution inside the teeth model on the scattering coefficient of enamel (5–25 mm⁻¹) and dentine (100–140 mm⁻¹) is numerically simulated and analyzed. The fitted results reveal that fluorescence intensity decreases exponentially. Optical penetration depth and fluorescence relative depth declined with the increment of scattering coefficient of enamel. And the dentine had the opposite effect. Finally, the experiment of measurement of fluorescence intensity on the teeth surface is conducted and the result is compared with the numerical computation.     

利用自体荧光成像量化分析牙菌斑

牙菌斑是造成龋病及牙周病的主要因素之一,通过检测牙齿表面牙菌斑含量多少能在一定程度上了解牙齿健康程度,对口腔健康的维护有重要意义。利用牙菌斑与牙齿组织自体荧光光谱的差异性,本文设计了一套便携式的基于自体荧光成像的检测系统。(1)该系统以中心波长为405 nm的LED作为激发光源,辅以中心波长520 nm的长波通滤光片提高系统信噪比,CCD作为感光器件;系统采集荧光图像后,根据成像结果分析牙面上牙菌斑含量。(2)设计了验证实验采集受试者牙齿图像,并以牙菌斑百分比作为量化牙菌斑多少的指标。实验结果表明荧光图像菌斑百分比与Turesky改良的Quigley-Hein菌斑指数的Spearman等级相关系数为0.944,牙齿荧光图像牙菌斑百分比与染色图像牙菌斑百分比的Pearson相关系数为0.875。由此可见,文中的检测系统具有较好的准确性,而且因为采用光学检测方法,具有非侵入性且可重复性,所以它有广阔的临床应用前景,有望成为家用口腔健康的检查手段。     

量热式激光能量计热损失系数测定方法的研究

在长脉冲激光照射下,由于热损失的影响,致使传统数据处理方法所得到的量热式激光能量与实际激光能量有较大的差距。以能量计探头在激光照射下的温度变化分布为实验模型,考虑热辐射和热传导等因素,提出一种表征能量计热损失程度的热损失系数的测定方法,并用实验验证了该测定方法的正确性。所得的热损失系数可作为评价量热式激光能量计性能的一个重要参数。     

基于口腔自体荧光效应和深度学习的牙菌斑的分割及量化

牙菌斑是牙齿表面一层难以观测的生物膜,是导致龋齿、牙龈炎等一系列疾病的直接诱因.牙菌斑的早期定量化无损检测具有重要的临床意义.短波长光激发下,牙菌斑的细菌及其代谢产物可以产生自体荧光.基于前期成像系统的基础上,采集大量牙菌斑在405nm蓝光激发下产生的红色荧光;牙菌斑越成熟红色荧光强度越高;采用改进的U-net网络对该...     

Background removal from polarized Raman spectra of tooth enamel using the wavelet transform

A wavelet transformation method is introduced to remove the large fluorescence background from polarized Raman spectra of stained tooth enamel. This method exploits the wavelet multiresolution decomposition where the experimental Raman spectrum is decomposed into signals with different frequency components, and where the lowest frequency background and highest frequency noise are removed. This method is optimized using a simulated collection of parallel‐polarized and cross‐polarized Raman spectra of the enamel and then applied to a set of experimental data. The results show that the wavelet transform technique can extract the pure spectra from background and noise, with the depolarization ratio used to discriminate between early dental caries and sound enamel preserved. Copyright © 2010 Crown in the right of Canada. Published by John Wiley & Sons, Ltd.