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          評估深層牙齦炎癥-一種用于牙科新臨床成像技術(shù)

          閱讀:589        發(fā)布時間:2022-6-1
          牙齦是包圍并保護牙齒的軟組織。健康的牙齦能夠有效防止牙周深層組織損傷,因此牙齦也是患者牙周健康的重要指標。目前評估牙齦組織健康的方法包括視診和探診,都是定性且主觀的方法。當涉及更復(fù)雜情況的時候就判斷就比較麻煩,如牙齦生物型發(fā)生變化,就需要考慮牙齦的特征和厚度。如果能利用無創(chuàng)成像技術(shù)獲得深層結(jié)構(gòu)和血管信息,我們就能夠?qū)ρ乐軤顩r進行更準確的診斷?;诖?,Nhan M. Le等人提出了一種三維成像技術(shù),光學相干斷層掃描(optical coherence tomography, OCT),對人牙齦進行原位成像。招募了10名志愿者(5名男性,5名女性,年齡25-35歲);使用zuixianjin的swept-source OCT設(shè)備和OCT造影技術(shù)(optical coherence tomography angiography, OCTA)相結(jié)合,掃描了上切牙的唇牙齦組織。構(gòu)建出了穿透深度達2 mm的牙齦組織微結(jié)構(gòu)和毛細血管的3D結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)不同生物型(即厚牙齦和薄牙齦)之間存在顯著的結(jié)構(gòu)和血管差異,而且血管排列特點和牙齦炎癥也有關(guān)聯(lián)。在本研究的范圍內(nèi),OCT/OCTA技術(shù)在量化牙齦生物型的不同屬性和牙齦炎癥的嚴重程度方面是可行的。研究結(jié)果以“A noninvasive imaging and measurement using optical coherence tomographyangiography for the assessment of gingiva: An in vivo study"為題發(fā)表在Journal of BIOPHOTONICS。

           

          研究背景
           

          根據(jù)世界衛(wèi)生組織的報告,口腔疾病相關(guān)的公共衛(wèi)生問題仍然是世界范圍內(nèi)的嚴重醫(yī)療負擔,尤其是在發(fā)展中國家。牙周病通常需要發(fā)展數(shù)年,且可能與其他健康問題如心血管疾病和糖尿病有關(guān)。據(jù)報道,僅在美國,2009年至2010年間約47%的30歲及以上人口受到某些形式牙周炎的困擾,程度從輕度(8.7%)到中度(30.0%)到重度(8.5%)不等。因此,對牙周病進行準確診斷和評估,對幫助降低疾病發(fā)展風險以及后續(xù)預(yù)防和治療非常重要。

           盡管對牙周病的認識有所提高,但目前的診斷和評估嚴重依賴于傳統(tǒng)方法,如牙周探診和視診是否有出血或菌斑。雖然這些方法應(yīng)用廣泛認同度高,但通常需要有經(jīng)驗的臨床醫(yī)生對每個特定的情況進行客觀的評估。即使是非常有經(jīng)驗的臨床醫(yī)生在進行評估時仍然難以準確監(jiān)測牙周病的進展。此外這些方法也多會形成創(chuàng)口。目前評估方法之一是使用牙齦指數(shù)(Gingival Index)對牙齦炎癥程度打分,這需要探查已經(jīng)發(fā)炎的牙周組織,并可能導(dǎo)致不必要的疼痛和出血。通過探診法判斷出血情況的幾個牙齦炎指數(shù)如齦乳頭出血指數(shù)(papillary bleeding index)、邊緣探查出血情況和伊士曼齒間出血指數(shù)(Eastmaninterdental bleeding index)。但由于無法保證每次檢查的探診頻率和力度,這些方法的可靠性和可重復(fù)性也會受到質(zhì)疑。此外,不同患者的牙齦厚度和外觀情況也比較復(fù)雜,如牙周生物型不同,會導(dǎo)致上述方法產(chǎn)生更多變化和誤差。牙齦較薄的患者的牙齦可能會呈現(xiàn)出自然偏粉紅色的外觀,這可能誤導(dǎo)視診結(jié)果。因此如果要對牙周炎進展進行準確診斷和評估,除牙齦指數(shù)之外,還需要進行放射照相評估、附著喪失證據(jù)、牙齒活動性檢查等等。但即使加上這些復(fù)雜的檢測,仍然難以對疾病進展進行一個準確即時的監(jiān)測。

           為觀察牙齦組織的顯微結(jié)構(gòu)和脈管系統(tǒng),研究人員引入了光學相干斷層掃描(optical coherencetomography, OCT)和光學相干斷層掃描血管造影術(shù)(OCT angiography, OCTA),實現(xiàn)在體內(nèi)無創(chuàng)、定性和定量對牙齦組織成像。OCT是一種非接觸、非侵入性的成像方式,通過檢測組織的反向散射光,結(jié)合一定算法生成類似超聲波的橫截面圖像,分辨率可達微米級別。OCTA最初成功應(yīng)用在眼睛成像方面,具有分離動態(tài)和靜態(tài)信號的能力,俗稱血管和非血管信號。OCT和OCTA在眼科中的應(yīng)用非常成功,并且由于其能夠?qū)ξ⒀h(huán)網(wǎng)絡(luò)進行高分辨率3D成像這一優(yōu)勢,在神經(jīng)成像和皮膚病學研究中也得到應(yīng)用并取得一定成果。在牙科領(lǐng)域,約二十年前就有OCT用于口腔軟組織的報道,近期較為突出的進展是是使用swept-source OCT 定量測量牙齦溝?,F(xiàn)有文獻對OCT測定牙齦精細微結(jié)構(gòu),以及體內(nèi)觀測牙齦脈管系統(tǒng)的能力描述相差較大。本文將深度增強的swept-source OCT作為一種新的牙齦結(jié)構(gòu)和微血管3D成像技術(shù)。使用OCT和OCTA系統(tǒng)對距牙齦表面2 mm深處進行掃描,視野在2 × 2和10 × 10 mm2之間,分辨率高達10 μm,并且能夠分辨牙齦內(nèi)的微毛細管環(huán)。

           

          牙齦生物型
           

          牙齦厚度(或牙齦生物型)是展示牙周治療和修復(fù)效果的重要因素。Oschenbein和Ross 首先討論了恢復(fù)性治療計劃中的牙齦厚(平)和薄(扇形)的問題,隨后Seibert和Lindhe提出了“牙周生物型"(periodontal biotype)這個概念。牙齦的外觀和解剖結(jié)構(gòu)能幫助我們理解牙周治療中涉及的抗炎、愈合能力等問題??茖W家們探究了牙齦生物型對不同牙齒療法的影響,包括對種植治療、正畸治療等的影響。但迄今為止牙齦生物型還沒有一個明確的分類。已知的幾種牙齦生物型是從研究使用的方法和技術(shù)角度分類,如超聲波測量法、牙周探查透明法和錐形束計算機斷層掃描法。每種方法都有優(yōu)缺點,而且對“厚"和“薄"生物型都有不同定義。因此,本文的目的是根據(jù)目前對牙齦生物型的認識,介紹一些使用OCT對牙齦結(jié)構(gòu)和血管造影結(jié)果研究中的發(fā)現(xiàn)。

           

          牙齦炎癥
           

          牙齦脈管系統(tǒng)的變化是監(jiān)測牙周病嚴重程度的重要指標。在微生物學和免疫學研究領(lǐng)域,已經(jīng)認識到宿主的炎癥反應(yīng)在牙齦炎和牙周炎中的重要性。在疾病最初階段,會發(fā)生短暫的急性炎癥,如果不治療會逐漸發(fā)展到慢性階段,而慢性階段的炎癥反應(yīng)部分體現(xiàn)為血管擴張和血管增生。結(jié)合過去二十年醫(yī)學成像的進步,研究人員對牙齦脈管系統(tǒng)的體內(nèi)成像進行了大量研究。迄今為止,牙齦顯微成像中最引人注目的兩種技術(shù)是laser Doppler flow(LDF)和正交偏振光譜(orthogonal polarization spectral, OPS)分析,都能夠測量血液灌注和微血管系統(tǒng)的變化,但也都有一定弊端,妨礙了它們在臨床實踐中的廣泛應(yīng)用。LDF只能檢測小體積組織中的凈紅細胞運動,無法評估單個微血管的位置深度、直徑和流量。OPS需要接觸操作,而且對接觸壓力敏感,同時也不能得到血管的深度信息。在牙科中,目前OCT尚未探索牙齦的功能性脈管系統(tǒng),主要依賴傳統(tǒng)技術(shù)測量齦溝。為對牙齦炎癥有更全面的了解,將OCT和OCTA結(jié)合起來用于體內(nèi)牙齦成像。

            OCT掃描角度如圖:


            


          結(jié)果與討論
           

          牙齦結(jié)構(gòu)
           B-scan圖發(fā)現(xiàn)口腔上皮產(chǎn)生了高強度的掃描層,可能是一種散射度較高的介質(zhì)(圖2A)。臨床上認為牙齦組織口腔上皮是一種分層的鱗狀角化上皮,從膜齦聯(lián)合延伸到齦緣。口腔上皮進一步可細分為基底層、棘層、顆粒層和角質(zhì)層(圖2B),但OCT掃描圖下各層之間的分化界限并不明顯。

           


           圖2通過3D OCT掃描得到的人體內(nèi)牙齦組織顯微結(jié)構(gòu)細節(jié)。(A)附著齦和游離齦OCT B-scan掃描圖,交替的亮條紋為上皮釘突,下暗區(qū)域為結(jié)締組織。(B)牙齦的典型組織學切片,上皮釘突與(A)中OCT掃描出的橫截面類似。(C)250μm深度的正面截面圖,附著齦表現(xiàn)出蜂窩結(jié)構(gòu),齦緣沒有。(D)350μm深度的正面截面圖,蜂窩狀結(jié)構(gòu)更致密。

           在口腔上皮的下方,結(jié)締組織通過上皮結(jié)締組織界面與上皮區(qū)分開,上皮結(jié)締組織界面上皮向結(jié)締組織的凸起稱為上皮釘突,結(jié)締組織向上皮釘突之間伸出突起,稱結(jié)締組織乳頭。在OCT掃描圖中可觀察到呈現(xiàn)對應(yīng)明暗的條紋(圖2A),與傳統(tǒng)的組織切片表現(xiàn)非常一致(圖2B)。en-face截面圖中(圖2C和圖3),交替的突起呈密集“蜂窩結(jié)構(gòu)",尺寸在30至80μm之間,通常出現(xiàn)在200至300μm深度處,并隨深度增加而逐漸增加(圖2D)。這些圓形孔隙的模式最好描述為隨機的(在正面切片上)。牙槽粘膜區(qū)出現(xiàn)很少或根本沒有蜂窩結(jié)構(gòu)(圖3)。

           
           圖3:正面OCT掃描切片圖清晰地描繪了牙齦中的蜂窩狀結(jié)構(gòu),深度取決于牙齦生物型。上為厚生物型,下位薄生物型。(A,D)厚薄型牙齦不同深度的正面OCT掃描切片,蜂窩結(jié)構(gòu)最初出現(xiàn)深度約為250μm。薄牙齦蜂窩狀結(jié)構(gòu)較小,部分被來自粘膜牙齦區(qū)域的軟組織(更亮且更均勻)所替代。 (B,E) 在中間深度,蜂窩結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較高對比度,“密度"和“廣度"情況顯示較為明顯。(C,F(xiàn))在網(wǎng)脊層之下,出現(xiàn)軟組織并顯示出光滑明亮的斑塊。厚生物型的蜂窩結(jié)構(gòu)通常比薄生物型的蜂窩結(jié)構(gòu)更厚、更深(在三個正面深度上觀察到),也更大(頰側(cè)面積更大)。牙齦表面以下> 350μm處為網(wǎng)狀皮層(圖3C,F(xiàn)),OCT掃描圖中呈現(xiàn)光滑的結(jié)構(gòu),有血管遮擋的陰影。炎癥發(fā)生時伴隨血管數(shù)量增加可能會使這部分結(jié)構(gòu)圖像發(fā)生變化更為明顯。由于正常健康牙齦中該層幾乎是均勻的,OCT掃描下反射強度較低,因此還無法進行詳細觀察,只能根據(jù)表型如在牙齦中出現(xiàn)的深度,是否有局部異常拓撲結(jié)構(gòu)等來推測是否有炎癥。

           牙齦在OCTA觀察下呈現(xiàn)出三個不同的區(qū)域:牙槽粘膜、附著齦和游離齦。這三個區(qū)域主要可以通過兩個方面來區(qū)分:不同血管的出現(xiàn),以及牙齦表面下每種血管類型的排列,如沿深度的出現(xiàn)順序、每種血管類型的方向和大小。

           根據(jù)在OCTA下對人體牙齦的觀察,無論性別,至少有三種不同類型的血管,分別為:毛細血管(或毛細血管環(huán))、小聯(lián)結(jié)血管和大血管。據(jù)觀察,毛細血管是微出血血管,尺寸從12μm以下到30μm不等。這些毛細血管通常形成環(huán),在附著牙齦和牙槽粘膜表面延伸。游離齦毛細血管稍大并呈冠狀延伸。較大的聯(lián)結(jié)血管尺寸在30-200μm之間,通常出現(xiàn)在距牙齦表面200-600μm間,毛細血管也在這里匯集成更大的血管。除非牙齦發(fā)炎,否則這些小的連接血管很少出現(xiàn)在附著齦中,這可能會幫助我們發(fā)現(xiàn)牙齦炎和早期牙周炎。最終,聯(lián)結(jié)血管與大血管匯合,大血管尺寸通常在200-400μm之間,至少500μm深。

           牙槽粘膜的特征是有致密的血管,包括所有三種類型的血管:小毛細血管,一般尺寸小于15μm,深度50-200μm;小的聯(lián)結(jié)血管,一般尺寸200-600μm之間,距牙齦表面約200-700μm深;大血管,尺寸通常在400μm以上,距牙齦表面約700μm以上。

           附著齦中小的聯(lián)結(jié)血管較少,較大的血管也少且更深,約600-1300μm。附著齦中的大血管通常起源于牙槽粘膜區(qū)的大血管,延伸穿過附著齦,在游離牙齦區(qū)分裂成更小的血管。因此附著齦中的毛細血管環(huán)更長,通常從深層的大血管(約600-800μm深度)延伸到淺層(約50μm深度)。血管方向通常平行于牙齦表面的平面,即垂直于OCT掃描的en-face。

           游離齦的特征是有聯(lián)結(jié)血管、致密且稍大的毛細血管(直徑可達30μm),偶爾有大血管終端。附著齦正截面上幾乎沒有聯(lián)結(jié)血管。聯(lián)結(jié)血管的區(qū)別與游離齦溝劃分的游離齦和附著齦結(jié)果較一致。本文通過OCT掃描附著齦和游離齦之間的表面拓撲變化來識別游離齦溝(圖1A)。圖4中代表游離齦溝的虛線與中間/深層聯(lián)結(jié)血管的出現(xiàn)情況一致。但并不是每個個體中都能觀察到明顯的游離齦溝,因此,我們依賴于中/深層小聯(lián)結(jié)血管的出現(xiàn)(圖4C,D,G,H)來確定附著/游離齦的邊界。由于小的聯(lián)結(jié)血管是逐漸出現(xiàn)在不同的深度的,而且由于個體不同牙齦厚度,我們無法選擇固定的正面深度來觀察聯(lián)結(jié)血管的出現(xiàn),此外基于牙齒的功能、不同的個體牙齦的生物類型和牙齦的狀況,聯(lián)結(jié)血管的排列情況也會變得極其復(fù)雜,因此我們認為游離/附著齦之間存在的是一種漸進的邊界。從我們最初的觀察來看,游離齦布滿小毛細血管和小聯(lián)結(jié)血管,這些血管最終與位于游離/附著齦連接處深處的大血管相連。小的聯(lián)結(jié)血管有時也會在平行于牙齦緣的方向上相互連接,逐漸與不同深度的較大血管匯合,并在附著齦中*消失。該區(qū)域的毛細血管環(huán)平行于正面平面,垂直于牙齦緣。游離牙齦毛細血管的平均尺寸在10到30μm之間,結(jié)締血管的平均尺寸在50到100 μm之間。

           

           圖4男性(上排)和女性(下排)受試者健康牙齦的OCTA血管造影圖片中觀察到的不同血管模式。(A)男性受試者OCTA血管造影照片(深度超過1mm)。白色虛線表示游離齦溝。不同深度的正面切片觀察到的詳細的血管模式圖:(B)小毛細血管(淺層)。(C)小結(jié)締血管(中層)。(D)大血管(深層)。(E-H)為對應(yīng)女性受試者圖片。

           表1總結(jié)了從OCTA觀察到的每個牙齦區(qū)域的血管特征。
           
           

          牙齦結(jié)構(gòu)與生物型之間的關(guān)系
           

          對與厚生物型和薄生物型牙齦目前還沒有通用的劃分標準。OCT掃描發(fā)現(xiàn)厚生物型牙齦中蜂窩狀結(jié)構(gòu)的密度、對比度、延伸深度和廣度都遠高于薄生物型牙齦(圖3)。此外根據(jù)OCTA血管造影成像結(jié)果,厚生物型牙齦的大血管的尺寸深度也大于薄生物型的牙齦(圖5)。結(jié)合以上觀察發(fā)現(xiàn),厚生物型通常具有密集廣泛的蜂窩結(jié)構(gòu),對應(yīng)從表層到1mm厚的中層都缺乏聯(lián)結(jié)血管和非常深的大血管。相比之下,薄生物型通常蜂窩結(jié)構(gòu)較薄且不太廣泛,對應(yīng)表層也具有明顯更多的聯(lián)結(jié)血管和大血管。研究人員選擇了距表面350μm和644μm這兩個特定厚度進行了OCT和OCTA掃描(圖6)。

           研究人員探討了不同生物型牙齦之間的結(jié)構(gòu)和脈管系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)與目前對牙齦生物型的認知判斷一致。OCT與OCTA相結(jié)合能夠較為明確的區(qū)分出不同生物型,這些能夠幫助我們了解不同生物型的功能特點,以及治療過程中這些功能與組織應(yīng)答和組織愈合之間的關(guān)系。

           
            圖5三名志愿者上切牙牙齦組織OCTA造影結(jié)果圖。A-D為牙齦健康的男性志愿者。E-H為牙齦健康的女性志愿者。I-L為右側(cè)門牙有明顯牙齦發(fā)炎的男性志愿者。顏色顯示血管深度,比例尺如圖。 (A-D) 健康的厚生物型,表現(xiàn)為表面毛細血管密集,但缺乏聯(lián)結(jié)血管和大的深層血管,特別是附著齦區(qū)域。 (E-H) 健康的薄生物型,聯(lián)結(jié)血管和大的深層血管明顯更多,特別在附著齦區(qū)域。(I-L)普通生物型但左側(cè)切牙發(fā)炎,發(fā)炎牙齦組織血管情況變化顯著,小的聯(lián)結(jié)血管(橙黃色)與其他三顆切牙相比明顯更密集。

            圖6 不同生物型在特定深度的正面(en-face)及對應(yīng)垂直(B-scan)的OCTA圖。(A,B)厚生物型644 μm深度。(C,D)薄生物型的644 μm深度。(E,F(xiàn))厚生物型350 μm深度。(G,H)薄生物型350 μm深度。(I,J) “薄且呈扇形"的牙齦和“厚且平整"的牙齦照片,白色方框內(nèi)為3D OCT正面掃描的區(qū)域。垂直B-scan圖像可以直接觀察齦溝的深度和厚度來判斷生物型的臨床分類。

           

          牙齦結(jié)構(gòu)與炎癥的關(guān)系
           

          研究人員還探究了OCTA對牙齦炎癥的評估情況,對牙齦表層和中層進行OCT和OCTA掃描。發(fā)現(xiàn)與正常健康的牙齦相比,炎癥牙齦的小聯(lián)結(jié)血管的數(shù)量顯著增加(圖5,圖7)。 圖7 使用OCT和OCTA對同一名志愿者左右不同健康狀況的門牙牙齦進行成像,觀察差異。A為健康牙齦。B為炎癥牙齦。炎癥部位沒有(或很少有)蜂窩狀結(jié)構(gòu),代替的是光滑結(jié)締組織。與健康牙齦相比,發(fā)炎牙齦在發(fā)炎部位具有明顯更密集和更淺的小聯(lián)結(jié)血管。

           

          總結(jié)
           

          本文采用無創(chuàng)成像方式,shouci詳細介紹了體內(nèi)牙齦組織和脈管結(jié)構(gòu)。探究了牙齦結(jié)構(gòu)與生物型劃分及牙齦驗證等的關(guān)系。該方法具有非侵入性的、無標記的、非接觸特點,可以實時進行,且成本不高,因此作為傳統(tǒng)方法之外的輔助工具,能夠極大提高口腔健康評估質(zhì)量,也可用于臨床術(shù)前觀察指導(dǎo)。但由于OCTA穿透性和牙齦組織強光學散射特性等原因,還有待在臨床對其進行更多的可靠性和有效性驗證。

           

          參考文獻:

          Le, Nhan M. , et al. "A noninvasive imaging and measurement using optical coherence tomography angiography for the assessment of gingiva: An in vivo study." Journal of Biophotonics 11(2018):e201800242.


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