Сухинина Алина Викторовна. Методы оптической спектроскопии для диагностики стоматологических заболеваний

Короткий опис

Сухинина Алина Викторовна. Методы оптической спектроскопии для диагностики стоматологических заболеваний: диссертация ... кандидата физико-математических наук: 01.04.21 / Сухинина Алина Викторовна;[Место защиты: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"].- Москва, 2014.- 117 с.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Национальный исследовательский
ядерный университет «МИФИ»
04201455625
Сухинина Алина Викторовна
МЕТОДЫ ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ
ДИАГНОСТИКИ СТОМАТОЛОГИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
Специальность: 01.04.21 - Лазерная физика
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Научный руководитель д. ф.-м. н., профессор Сергей Александрович Гончуков
Москва-2014
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ЗАБОЛЕВАНИЙ ЗУБОВ 15
1.1. Строение и элементный состав зубов 15
1.2. Механизмы развития кариеса и пародонтита 18
1.3. Используемые способы диагностики заболеваний зубов 21
1.4. Выводы к главе 33
Глава 2. ОПТИЧЕСКАЯ ФЛЮОРЕСЦЕНТНАЯ ДИАГНОСТИКА КАРИЕСА.. 34
2.1. Биофизические основы флюоресцентной диагностики 35
2.2. Экспериментальная техника и методики измерений 37
2.2.1. Лазеры и светодиоды для возбуждения флюоресценции 37
2.2.2. Волоконно-оптический спектрометр 41
2.2.3. Оптический когерентный томограф 45
2.3. Экспериментальные результаты 50
2.4. Выводы к главе 56
Глава 3. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ И КОНТРОЛЬ УДАЛЕНИЯ ЗУБНОГО КАМНЯ..58
3.1. Результаты эксперимента по детектированию зубного камня 59
3.2. Исследование послойного удаления зубного камня 68
3.2.1. Экспериментальная техника и методика измерений 69
3.2.2. Расчет изменения интенсивности флюоресценции
в зависимости от толщины удаляемого камня 71
3.2.3. Результаты измерений 73
3.3. Выводы к главе 76
Глава 4. ДИАГНОСТИКА ПАРОДОНТИТА МЕТОДОМ СПЕКТРОСКОПИИ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СЛЮНЫ 77
4.1. Слюна в медицинской диагностике 77
4.2. Комбинационное рассеяние света 79
з
4.3. Определение биомаркеров пародонтита с помощью спектроскопии
комбинационного рассеяния слюны 83
4.3.1. Методика измерений 83
4.3.2. Кристаллизация слюны и оптимизация места измерений 86
4.3.3. Результаты измерений 88
4.4. Применение резонансной спектроскопии комбинационного рассеяния
слюны для диагностики пародонтита 90
4.4.1. Каротиноиды и их биологическая роль в организме 90
4.4.2. Выбор лазера для детектирования каротиноидов 92
4.4.3. Результаты измерений 93
4.5. Выводы к главе 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 98
ЛИТЕРАТУРА 102
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. К наиболее распространенным стоматологическим заболеваниям относятся кариес и пародонтит. По данным ВОЗ считается, что от них в большей или меньшей степени страдает каждый взрослый человек. Развитие этих заболеваний чревато не только потерей зубов, они провоцируют еще появление заболеваний полости рта, уха, носа, органов пищеварения. Их коварство связано с тем, что они развиваются вначале без болевых ощущений и внешних проявлений, и поэтому обнаруживаются зачастую тогда, когда являются уже основательно запущенными. С другой стороны современные методы лечения позволяют практически полностью исключить развитие кариеса и пародонтита без использования кардинальных деструктивных для биоткани мер, если они применяются на ранней стадии развития этих болезней. Поэтому вопрос диагностики кариеса и пародонтита особенно на ранней стадии имеет первостепенное значение.
Диагностика заболеваний основана на изменении физических характеристик биоткани при развитии патологий. В случае кариеса объектом исследования является коронка зуба, покрытая эмалью. Что касается пародонтита, то его развитие сопровождается скоплением продуктов жизнедеятельности бактерий в районе шейки зуба, которые после формирования биоматрикса и его кальцификации образуют зубные камни. Хотя наличие зубного камня не является первоначальной причиной пародонтита, современная терапия этого заболевания заключается в полном удалении камня с поверхности зубов. Эту процедуру, очевидно, надо выполнять, не разрушая примыкающие к камню здоровые ткани зуба. Однако потенциальный риск всегда есть, так как процесс удаления камня должен быть точно остановлен на границе раздела «камень - зуб».
Отличие по структуре и химическому составу биотканей в норме и при патологиях позволяет использовать различные физические методы исследования. При обследовании врач традиционно использует визуальные и тактильные
способы, реже электродонтодиагностику. Но эти способы не обладают точностью, необходимой для обнаружения заболевания на ранней стадии его развития. По этой причине исследования и разработки, направленные на выяснение возможностей других подходов в стоматологической диагностике, активно ведутся до настоящего времени.
Известны работы по применению ультразвука и рентгена, радиографии, визуализации в инфракрасном и терагерцовом диапазонах, оптической когерентной томографии. Эти подходы в настоящее время нс применяются в медицинской практике, поскольку сложны, дороги и не всегда гарантируют необходимую точность диагностики. Обоснованно перспективными считаются методы оптической спектроскопии, среди которых широкое распространение в биологии и медицине получила флюоресцентная спектроскопия, поскольку она является весьма чувствительным, неинвазивным и недорогим методом исследования.
Флюоресцентная диагностика в стоматологии базируется на анализе спектров флюоресценции твердых тканей зуба и зубного камня. Основное вещество, из которого состоят зубы, гидроксиапатит. Гидроксиапатит и другие кристаллы, входящие в состав твердых биотканей и зубного камня, - диэлектрики, которые в чистом виде не флюоресцируют. Однако наличие примесей и дефектов, а также деструкция кристаллов приводит к их флюоресценции. Микроорганизмы, органические вещества, продукты распада также имеют характерные спектры флюоресценции, что и позволяет это в совокупности использовать для диагностических целей.
В первых исследованиях на эту тему, выполненных около 80 лет назад, была продемонстрирована возможность использования явления флюоресценции для диагностики кариеса. С появлением лазеров эффективность флюоресцентной диагностики кардинально улучшилась, а область ее применения расширилась. Полученные в конце прошлого века экспериментальные результаты вскоре стали основой для создания за рубежом приборов флюоресцентной стоматологической диагностики.
Для целей диагностики кариеса созданы два прибора: QLF (Inspector Research Systems, Нидерланды) и Diagnodent (KaVo, Германия). Для детектирования поддесневого зубного камня разработан прибор Detectar (Ultradent Products, Inc., США). Эти три прибора и образуют на сегодня основу существующего приборного парка стоматологической флюоресцентной диагностики. Указанные приборы применяются в исследованиях и медицинской практике. Однако относительно их диагностической эффективности отзывы специалистов неоднозначны и даже противоречивы.
Причину этого следует искать в отсутствии обстоятельных всесторонних исследований, которые должны были бы предшествовать разработке приборов. Так, основу приборов образуют два типа лазеров на фиксированных длинах волн: аргоновый лазер на длине волны 488 нм (для QLF) и полупроводниковые лазерные диоды на длинах волн 655 нм и 880 нм (для Diagnodent и Detectar). Выбор таких источников, а также светофильтров для возбуждения и детектирования флюоресценции недостаточно обоснован.
Что касается удаления камня с поверхности зубов, то в последние годы разработана аппаратура абляционного удаления камня с помощью импульсного лазера или ультразвука. Последняя разработка лазерной аппаратуры послойного удаления камня содержит дополнительно устройство обратной связи, которая управляет процессом удаления камня по уровню интенсивности флюоресценции. Такая автоматизированная система является перспективной для применения, поскольку должна исключать влияние ошибок со стороны человека. Однако точность системы пока не высока. В ней, как и в приборе Diagnodent, применяется для возбуждения флюоресценции красный лазерный диод, что, как показано в данной работе, далеко от оптимального решения.
Объектами исследования при диагностике кариеса и пародонтита являются твердые биоткани зуба и зубной камень. Однако начальные изменения в организме, свидетельствующие о его предрасположенности к заболеваниям в ротовой полости, должны проявляться уже на молекулярном уровне и не обязательно только в изменениях состава твердых тканей и камня. В первую
очередь, к таким биологическим тканям следует отнести слюну - прозрачный вязкий секрет слюнных желез, выделяемый в ротовую полость и обладающий бактерицидными свойствами.
Для исследования веществ на молекулярном уровне целесообразно использовать спектроскопию комбинационного рассеяния (КР). С появлением лазеров и их применением в спектрометрах КР этот вид молекулярной спектроскопии стал, пожалуй, сейчас самым мощным средством анализа веществ. Спектроскопия КР неинвазивна, чувствительна и позволяет проводить измерения за короткое время, используя малое количество исследуемого вещества, находящегося в любом агрегатном состоянии. Исследования, в которых используется слюна для диагностики пародонтита с применением спектроскопии КР, ранее не проводились.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы являлась разработка и исследование новых эффективных подходов диагностики кариеса и пародонтита с использованием современных методов оптической спектроскопии биологических тканей. В диссертационной работе решаются следующие задачи:
1. Исследование и оптимизация флюоресцентной диагностики кариеса.
2. Исследование и оптимизация флюоресцентного метода детектирования зубного камня.
3. Разработка и исследование флюоресцентного метода контроля удаления зубного камня.
4. Разработка и исследование метода диагностики пародонтита на основе анализа молекулярного состава слюны с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния. .
Научная новизна
1. С помощью лазерных масс-спектрометрических измерений определены изменения элементного состава зуба при кариесе. Показано, что развитие кариеса в первую очередь сказывается на составе органической составляющей твердой ткани.
2. Определены оптические спектры флюоресценции от здоровых и кариозных областей зуба и от микроорганизмов на зубном налете в широком диапазоне длин волн. Установлено, что при развитом кариесе уровень флюоресценции от кариозных областей всегда меньше, чем от здоровых областей при любых длинах волн возбуждения Хпт. При скрытой форме начального кариеса флюоресценция при Л.1Юз < 400 нм выше у здоровой эмали, чем у эмали, пораженной кариесом, а при Хпт > 400 нм наоборот. Отличие интенсивностей флюоресценции от здоровой и кариозной областей стремится к максимуму при длинах волн возбуждения <370 нм. Продемонстрирована возможность детектирования начального кариеса невооруженным глазом при облучении ультрафиолетом.
3. Определены оптимальные для дифференциальной оптической диагностики
зубного камня спектральные области возбуждения и регистрации флюоресценции. Экспериментально и теоретически показано, что при
использовании системы послойного удаления зубного камня, оснащенной обратной связью с ультрафиолетовым зондирующим источником, риск повреждения тканей зуба может быть практически исключен.
4. Предложен и реализован способ диагностики пародонтита с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) лазерного излучения в слюне. Установлены и идентифицированы характерные линии спектра КР, которые могут служить маркерами для оценки уровня этого заболевания.
5. Показано, что применение резонансной спектроскопии комбинационного рассеяния слюны позволяет повысить на порядок и более чувствительность
диагностики пародонтита при детектировании линий с волновыми числами 1156 см"1 и 1524 см'1, обусловленных присутствием бета-каротина и ликопина.
Практическая значимость
Результаты, изложенные в диссертационной работе, могут быть использованы для создания новых методов и средств неинвазивной оптической диагностики кариеса и пародонтита на ранней стадии развития этих заболеваний, а также для высокоточного контроля удаления зубного камня при использовании автоматизированных абляционных систем.
Основные положения, выносимые на защиту
1. При развитом кариесе уровень флюоресценции от кариозных областей всегда меньше, чем от здоровых областей при любых длинах волн возбуждения Хкт. При скрытой форме начального кариеса интенсивность флюоресценции при Хвоз < 400 нм выше у здоровой эмали, чем у эмали, пораженной кариесом, а при XB0J > 400 нм наоборот. Отличие интенсивностей флюоресценции от здоровой и кариозной областей стремится к максимуму при Хвоз < 370 нм.
2. Оптимальные для дифференциальной оптической диагностики зубного камня спектральные области возбуждения флюоресценции равны 340-370 нм и 620-645 нм, а соответствующие области регистрации флюоресценции равны 410-440 и 670-710 нм. Использование системы послойного удаления зубного камня, оснащенной обратной связью с ультрафиолетовым зондирующим источником на длине волны 369 нм, обеспечивает детектирование границы «камень-корень зуба» на уровне единиц микрон, сводя тем самым риск повреждения тканей зуба до минимума.
3. Способ диагностики пародонтита с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) лазерного излучения в высушенной капле слюны. Маркерами пародонтита могут служить линии с волновыми числами 1033 см'1, 1156 см 1524 см-1 и 1611 см-1.
4. Способ повышения чувствительности диагностики пародонтита при детектировании линий с волновыми числами 1156 см'1 и 1524 см'1, обусловленных присутствием ' каротиноидов, методом резонансной спектроскопии комбинационного рассеяния слюны.
5. Определение принадлежности каждой из двух основных информативных линий спектра КР 1156 см 1 и 1524 см-1 бета-каротину и ликопину соответственно.
Апробация работы и публикации
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
- Научные сессии МИФИ (2009-2013 гг.); 3 Всероссийская молодежная школа- семинар с международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики», Троицк-Москва, 2009; III Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2010», Москва, 2010, V Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине» (ТКМФ-5), Троицк, 2012; 18-й, 19-й, 20-й и 21-й Международной конференции по лазерной физике (“LPHYS’09”, Барселона, Испания; “LPHYS’10”, Фоц до Игуацу, Бразилия; “LPHYS’ll”, Сараево, Босния и Герцеговина; “LPHYS’12”, Калгари, Канада).
Материалы диссертации опубликованы в 24 основных печатных работах, из них 10 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК [1-8, 10-11] и 12 тезисов докладов на Международных и Российских конференциях. Журналы, в которых
опубликованы работы [1-3, 5-6, 8, 10-12], включены в базу данных отслеживания цитируемое™ Scopus; журналы с работами [1-3, 5-6, 10] - в базу Web of Science; журналы с работами [1,4, 7,8,11] - в базу РИНЦ.

Список літератури

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследования в настоящей диссертационной работе велись в двух направлениях, обусловленных необходимостью повышения качества диагностики и лечения наиболее распространенных стоматологических заболеваний: кариеса и пародонтита. Для этого применены неинвазивные оптические методы флюоресцентной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния.
Сформулируем кратко основные выводы и результаты, полученные в диссертации:
1. Масс-спектрометрические измерения показали, что с развитием кариеса эмаль зуба теряет, главным образом, азот, фтор, цинк, серу, алюминий, медь и хром. В то же время заметное увеличивается содержание хлора, калия и марганца. Содержание же кальция, фосфора и кислорода, являющихся преобладающими в твердой ткани в виде гидроксиапатита СаюСРОДеСОНД, изменяется незначительно. Таким образом, можно полагать, что развитие кариеса затрагивает, в первую очередь, органическую составляющую твердой ткани.
2. Обнаружено, что интенсивность флюоресценции зависит от участка на поверхности эмали зуба. Флюоресценция более интенсивная там, где толщина прозрачной эмали мала (фиссура и шейка зуба) и, как следствие этого, обратное рассеяние от дентина велико. Зависимость интенсивности флюоресценции от участка облучения на поверхности зуба сохраняется неизменной для всех длин волн облучения.
3. Показано, что в ряде случаев (до 30%) в спектре флюоресценции наблюдаются характерные линии в красной области спектра, если флюоресценция возбуждается зеленым излучением. Данный результат объясняется проникновением бактерий в очаг деминерализации и, как следствие этого, присутствием порфиринов. Показано, что концентрация бактерий превалирует в области «белых пятен» на поверхности зуба.
4. Установлено, что для развитого кариеса спектр флюоресценции 1ф(А.) от пораженных участков зуба всегда меньше, чем от здоровых участков при любых Хит. В случае трудно детектируемой скрытой формы начального кариеса соотношение между 1ф(Х) от кариозного и здорового участков зависит от Х,Ю}: интенсивность флюоресценции при ?ЧЮ1 < 400 нм выше у здоровой эмали, чем у эмали, пораженной кариесом, а при Хвоз > 400 нм наоборот.
5. Определен процентный вклад во флюоресценцию от здоровой и кариозной эмали в зависимости от длин волн возбуждения флюоресценции. Показано, что отличие между интенсивностями флюоресценции, регистрируемой от здоровых и пораженных ранним кариесом участков зуба, стремится к максимуму при А.,,03 < 370 нм.
6. Продемонстрировано, что кариес, в том числе и кариес на ранней стадии развития, может диагностироваться невооруженным глазом при облучении зубов ближним ультрафиолетовым излучением с длиной волны менее 380 нм. Пораженные кариесом области регистрируются как темные пятна, окруженные голубым флюоресцентным свечением флюорофоров, присутствующих в эмали и дентине.
7. Определены оптимальные для дифференциальной диагностики зубного камня области возбуждения (340-370 и 620-645 нм) и регистрации флюоресценции (410-440 и 670-710 нм). При оптимальных условиях отличие сигнала флюоресценции от камня и от корня зуба составляет два порядка.
8. Показано, что флюоресценция корня зуба превышает по интенсивности флюоресценцию камня при возбуждении ультрафиолетом, что связано с сильной флюоресценцией органических флюорофоров. При возбуждении красным излучением ситуация противоположная из-за влияния минеральных компонент и порфиринов.
9. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что при послойном удалении зубного камня точность определения границы «камень- корень зуба» при возбуждении ультрафиолетом (369 нм) на несколько порядков
выше, чем при возбуждении красным излучением (633 нм). Погрешность позиционирования на границе раздела «камень-корень зуба» составляет не более 2 мкм, что ранее было недостижимо и что в максимальной степени позволяет исключить риск повреждения целостности зуба при удалении камня путем совместного использования лазерной абляции и системы обратной связи по сигналу флюоресценции.
10. Определены объемные отложения в поле кристаллизации слюны, наиболее информативные для целей молекулярной спектроскопии пародонтита.
11. Предложен и реализован способ диагностики пародонтита с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) лазерного излучения в слюне. Установлено, что линии КР с волновыми числами 1033 см-1, 1156 см-1, 1524 см-1 и 1611 см-1 могут служить маркерами для оценки уровня этого заболевания.
12. Показано, что применение резонансной спектроскопии комбинационного рассеяния слюны позволяет повысить на порядок и более чувствительность диагностики пародонтита при детектировании линий с волновыми числами 1156 см”1 и 1524 см'1, обусловленных присутствием бета- каротина и ликопина.
Результаты, изложенные в диссертационной работе, могут служить основой для создания новых методов и средств неинвазивной оптической диагностики кариеса и пародонтита, в том числе на ранней стадии развития этих заболеваний, а также для высокоточного контроля удаления зубного камня при использовании автоматизированных абляционных систем.
В заключение хочу выразить глубокую благодарность своему научному руководителю профессору Сергею Александровичу Гончукову за постановку задачи и неоценимую помощь при проведении исследований и обсуждении результатов.
Выражаю также искреннюю признательность моим соавторам Д.Н. Бахмутову, В.Н. Баграташвили, С.А. Минаевой и М.Ю. Цветкову за плодотворное сотрудничество.