本文要点：牙釉质在短波红外成像（SWIR）波长下高度透明，可以在不需要电离辐射的情况下检测牙齿龋坏。本研究的目的是使用SWIR成像方法，包括交叉偏振光相干断层扫描（CP-OCT）、咬合透照（SWIR-OT）、邻面透照（SWIR-PT）和咬合反射（SWIR-R），在体内成像邻面病变，并与放射线照相的灵敏度进行比较。在每个计划修复的邻面病变接触点获取相邻牙齿的SWIR图像。评估每一侧的放射线照相和每种SWIR成像方法的病变存在和深度。放射线照片和CP-OCT图像中的病变由单一检查员识别，而SWIR图像中的病变通过半自动图像分割的对比阈值来识别。所有SWIR成像方法在检测对面修复牙齿的邻面病变方面的灵敏度（P<0.05）均显著高于放射线照片。CP-OCT和SWIR-R成像方法的灵敏度显著高于其他方法。SWIR成像方法显示的病变对比度显著高于放射线照相。SWIR成像方法可以用于检测后牙的邻面病变，其诊断性能高于放射线照相。CP-OCT似乎适合作为检测邻面病变和评估其在体内严重程度的潜在金标准。

图1. 本临床研究中使用的三种SWIR成像设备和各自的成像几何形状

图1A展示了手持装置的图像。使用来Model SU640CSX（640×480像素）微SWIR焦平面阵列（FPA）捕获SWIR图像。手持装置包含两个在1604-nm用于反射和1314-nm用于透照操作的超发光二极管。每个臂的输出强度在进入每个臂末端的聚四氟乙烯塞之前设置为10-mW。以30 Hz的速率获取SWIR-R和SWIR-OT视频。图1B展示了SWIR-PT手持设备的图像，类似于之前描述的设备。图像是使用另一台SU640CSX微SWIR FPA捕获的。两个75和100毫米焦距的平凸防反射涂层透镜以及一个可调光圈被放置在手持设备和InGaAs FPA之间，在焦平面提供9×14 mm²的视场。透照光通过0.4毫米直径的低OH光纤传输。1330nm超发光二极管（SLD）作为透照的光源，输出功率为26 mW，带宽为36纳米。输出强度在进入聚四氟乙烯散射杆前设置为10 mW。以60 Hz的速率获取SWIR-PT视频。

图2. 显示从（A）SWIR反射率（SWIR-R）、（B）SWIR咬合透照（SWIR-OT）和（C）SWIR近端透照（SWIR-PT）中提取的病变区域的分割图像

图像从获取的视频中提取，并使用MATLAB处理。使用之前研究中开发的半自动图像分割技术检测邻面病变。首先通过对图像中的每个像素应用以下变换，将原始SWIR图像转换为对比度图：反射为(It – Is)/It，透照为(Is– It)/Is。Is手动选择为邻近邻接接触点的健康牙釉质的平均强度。It是接收变换的目标像素。在之前的临床研究中，对于SWIR成像方法，健康区域和邻面病变区域之间的对比度显著更高（P < 0.05），而放射线照相则不然。因此，可以为SWIR成像方法设置病变检测的对比度阈值，而常规放射线照相则不能。0.1的对比度是使用反射和透照SWIR成像正检测邻面病变的可靠阈值。去除对比度低于0.1的像素，生成一个二值掩码，显示每个对比度高于0.1的像素。掩码中与邻接接触点相邻的独立区域被指定为邻面病变区域。这种方法避免了由镜面反射（SWIR-R）或未通过牙齿结构的直接光（SWIR-PT和SWIR-OT）引起的高强度区域。镜面反射易于识别，因为它取决于入射角度，并在手持设备旋转时消失。分割的病变区域被隔离用于深度和对比度测量。使用此技术成功分割邻面病变被记录为阳性检测。病变分割失败则被视为阴性检测。如果检测为阳性，则在半自动病变分割后自动计算病变面积（以像素为单位）、平均对比度和病变深度。图2展示了SWIR-R、OT和PT分割后病变区域的示例。

本研究使用的交叉偏振OCT系统是Santec的IVS-3000-CP型。扫频源系统的工作波长为1321-nm，带宽为111-nm（轴向分辨率为11.4µm），可以在大约3秒内获得轴向深度为7-mm、尺寸为6×6-mm的完整断层图像。图1C展示了CP-OCT手持设备的图像。它已被用于多项体内龋齿成像研究，并在这些参考文献中有更详细的描述。将由可高压灭菌树脂制成的器具放置在OCT扫描手柄的远端，并用聚乙烯薄膜覆盖手柄以控制感染。将10psi的空气连接到设备上，以防止在图像采集过程中成像窗口起雾。

图3.（左）和 图 4（右）. 彩色和SWIR反射图片

CP-OCT图像中的反射强度在健康牙釉质中随着深度的增加而减小。只有来自亚表面病变或牙本质釉质交界处（DEJ）的反射率增加才会导致反射增加。本研究中仅对近端表面的病变进行了成像，没有受到DEJ的干扰。重要的是要注意牙釉质双折射可能引起的强度带，不要将其中一个带中的最大值与病变混淆。幸运的是，近端病变足够深，双折射带中的强度最大值比病变的反射率增加低得多。图3和图4中近端病变的CP-OCT图像均显示了由于釉质双折射引起的带状病变。

表1. 所有病变和仅位于修复和相对表面上的病变的相应病变检测率

表1列出了所有病变和仅位于修复表面和对侧表面的病变的检测率。所有病变（n=58）、修复表面（n=29）和对侧表面（n=29）的检测率均计算为每种方法检测到病变的表面比例，并在表1中列出。尽管一半的病变部位是根据放射线照片的外观选择并计划修复的，SWIR方法的检测率均显著高于放射线照相。SWIR-R和SWIR-PT的检测率均显著高于其他方法。对侧表面的放射线照相检测率提供了更少偏差的比较，所有病变的检测率分别为0.38和0.62。相比之下，每种SWIR方法对侧表面的检测率与所有病变的检测率相似。所有SWIR的检测率均显著高于放射线照相。还列出了放射线照相和SWIR-R、OT&PT的平均病变对比度值以及CP-OCT和SWIR-R、OT&PT的病变深度。三种SWIR方法SWIR-R、OT&PT的平均病变对比度均显著高于放射线照相，几乎是放射线照相的两倍。与放射线照相相比，OCT和SWIR-OT的病变深度较高，但差异不显著。SWIR-PT测量的病变深度显著低于其他方法，包括放射线照相。

从接触区域获取的图像，其中对侧邻面表面在放射线照片中不可见的病变显示在图4中。在图4B中，放射线照片显示牙齿#12上有一个大病变深入牙本质，而牙齿#13的对侧表面没有可见的病变。修复后获取的彩色图像（图4C）显示牙齿#13有一些变色，表明脱矿，但无法确定病变的严重程度。图4D中的CP-OCT图像显示红色和黄色箭头位置下方的牙齿表面下有强烈的反射，清楚地表明牙齿#12和牙齿#13上都有病变。使用双SWIR-OTR成像探头获取的图4E中的SWIR-R图像显示两侧表面都有病变，而SWIR-OT仅显示一个病变。图4G和H中从颊侧和舌侧视图获取的SWIR-PT图像，颊侧视图显示了两个病变。

图3中显示了从另一个接触区域获取的图像。对于这个示例，在接触的两侧放射线照相中都确定了病变。修复后获取的彩色图像（图3C）显示牙齿#5有脱矿和染色。图3D中的CP-OCT图像显示红色和黄色箭头位置下方的牙齿表面下有强烈的反射，清楚地表明牙齿#4和牙齿#5上都有病变。使用双SWIR-OTR成像探头获取的图3E和F中的SWIR-R和SWIR-OT图像均显示两侧表面存在病变。图3G和H中从颊侧和舌侧视图获取的SWIR-PT图像，两者均显示病变。

在本研究中，使用放射线和SWIR成像方法对计划修复的邻面病变接触点进行成像。放射线照相、OCT和修复后暴露邻面表面的目视检查在龋齿检测方面具有高特异性，被用于将表面识别为真正的阳性。需要注意的是，目视检查仅显示表面存在脱矿，无法显示病变穿透的深度，而放射线照相和OCT都显示了穿透深度。基于这三种方法中的任何一种的阳性结果，研究者发现所有58个邻面表面均存在病变。

对29个修复对侧表面的病变检测率的比较提供了最佳的无偏测量，所有SWIR方法的检测率均显著高于放射线照相，其中SWIR-R和PT的性能最高。SWIR方法也提供了比放射线照相高得多的病变对比度。高病变对比度对于自动分割图像分析算法和机器学习的实施尤为重要。SWIR-OT和R以及OCT提供了与放射线照相相似的病变深度测量，这对于病变诊断非常重要。SWIR-PT提供了高病变对比度和高病变检测率。然而，它大大低估了病变的深度。此外，与其他方法相比，SWIR-PT成像更为繁琐，需要每个接触点进行两次测量（颊侧和舌侧），而不是单次测量。此外，SWIR-PT只能作为独立探头使用，不适合检测咬合病变。相比之下，SWIR-R和OT可以组合成一个单一的多光谱SWIR-OTR探头，可以用于检测邻面和咬合表面的病变，更适合于龋齿筛查。

CP-OCT在检测牙齿咬合面近端病变方面表现非常出色，显示出表面下强度清晰可辨的增加。图像中的特征如亚表面强度增加和沿病变长度的反射率不能与假阳性混淆，也不能与牙本质-釉质界面（DEJ）反射率增加混淆，因为DEJ在牙齿近端表面的位置和角度。CP-OCT确实遗漏了一些在放射线照片中清晰可见的病变，但似乎这些病变位于CP-OCT系统的成像范围之外。所使用系统的扫描范围在空气中为7毫米，由于釉质的高折射率（1.6）减少到4.4毫米。其他系统已经在体外研究中进行了调查，扫描范围可达10毫米，能够达到更深的病变。由于其潜在的高灵敏度和特异性，CP-OCT是近端病变的良好替代金标准候选者。它也非常适合自动图像分析和机器学习。

参考文献

Zhu, Y., Le, O., Xue, J. et al. Clinical SWIR and CP-OCT imaging of interproximal lesions. BMC Oral Health 24, 959 (2024).

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