Оптимизация спектроскопических параметров флюоресцентной диагностики пародонтита



Скачать 74,23 Kb.
Дата28.06.2015
Размер74,23 Kb.

Оптимизация спектроскопических параметров…

С.А. ГОНЧУКОВ, А.В. СУХИНИНА

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ОПТИМИЗАЦИЯ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФЛЮОРЕСЦЕНТНОЙ ДИАГНОСТИКИ ПАРОДОНТИТА
Данная работа базируется на результатах, полученных авторами при исследовании спектров флюоресценции здоровых и патологических тканей пародонта в видимом диапазоне. Определены оптимальные длины волн возбуждения стоксовой флюоресценции и спектральные области регистрации информативного сигнала. Полученные результаты являются основой для разработки компактного и недорого прибора, перспективного для неинвазивной диагностики пародонтита в стоматологической практике.
Как известно, пародонтит является наиболее распространенным стоматологическим заболеванием. Развитию пародонтита сопутствует рост камня на поверхности зубов. Небольшие области внутри камня содержат микроорганизмы, жизнедеятельность которых приводит к нарушению целостности твердых тканей пародонта и даже к потере зуба. При этом в первую очередь страдают передние нижние зубы. Образование камня не всегда является первопричиной пародонтита, однако их удаление лежит в основе профилактики заболевания. Эта лечебная процедура, с одной стороны, должна гарантировать полное удаление камня, а с другой – не должна приводить к разрушению твердых тканей зуба. Поэтому очевидно, что удаление камня должно в идеале проводиться совместно с дифференциальной диагностикой дентина, эмали и зубного камня в реальном времени. Однако известные способы тактильного, визуального, радиографического и ультразвукового детектирования зубного камня не обладают требуемой точностью определения границы «камень–зуб» и малопригодны для совмещения с инструментом, удаляющим камень [1–9]. Поэтому потенциальный риск нарушения целостности зубной ткани остается. Эта проблема стоит особенно остро при удалении поддесневого камня, так как он покрывает корень зуба в десневом кармане. Таким образом, разработка эффективных методов детектирования зубных отложений весьма актуальна.

Изменение элементного состава и структуры веществ в твердом агрегатном состоянии может приводить к существенному изменению спектров флюоресценции в оптическом диапазоне длин волн. Флюоресцентная спектроскопия играет большую роль в области исследования биологических тканей, поскольку позволяет судить о патологических изменениях биотканей с высокой точностью и неинвазивно. Для ее возбуждения обычно применяются лазеры [10–12]. В последнее время для этой цели стали использовать недорогие и компактные светодиоды. Более широкая, чем у лазеров, полоса испускания не является препятствием для спектрального анализа биотканей, поскольку их линии поглощения находятся обычно на уровне 10 % от длины волны. Целью данной работы являлось определение оптимальных длин волн возбуждения флюоресценции и спектральных областей регистрации информативного сигнала с помощью и лазеров, и светодиодов.



Исследуемые образцы зубов. В работе было исследовано 36 человеческих зубов, которые были удалены по причине пародонтита тяжелой степени у пациентов в возрасте от 40 до 60 лет. Зубы имели темный наддесневой или поддесневой камень (22 зуба) и смешанный камень, состоящий частично из белого наддесневого и темного наддесневого и поддесневого камней (14 зубов). Удаленные зубы хранились в формалине.

Источники возбуждения. В работе для возбуждения флюоресценции применялись два непрерывных Nd-YAG твердотельных лазера с диодной накачкой и удвоением частоты. Длины волн их генерации равнялись 532 и 473 нм, а выходная мощность – 8 и 0,3 мВт соответственно. Непрерывный гелий-неоновый лазер, генерирующий на длине волны λ = 633 нм с выходной мощностью 10 мВт, и полупроводниковый лазер на длине волны 658 нм с выходной мощностью 6 мВт.

Наряду с лазерами для возбуждения флюоресценции, использовались также светодиоды производства ООО «Полироник» серии «АФС-Солярис». Светодиоды излучали на длинах волн 381 нм, 405 нм, 592 нм и 632 нм. Плотность мощности облучения зуба не превышала 100 мВт/см2.

При спектральном анализе сигналов флюоресценции применялись абсорбционные фильтры ЖС-11, ЖС-17, ЖС-18, ОС-12, КС-13, КС-17 и КС-18, отсекающие интенсивное излучение источника возбуждения флюоресценции.

Экспериментальная установка. Спектральные исследования проводились с помощью волоконно-оптического спектрометра ЛЭСА-5 производства ЗАО «Биоспек» (Россия) с программным обеспечением для работы в среде Microsoft Windows 98-2000. Работа спектрометра основана на пространственном разложении исследуемого излучения по длинам волн с помощью дифракционной решетки и регистрации этого излучения на ПЗС линейке.

Относительно простая компактная система позволяет получать спектры флуоресценции в реальном масштабе времени. Схема прибора позволяет производить регистрацию спектра флуоресценции в ускоренном режиме в диапазоне от 290 нм до 1100 нм.

Исследуемые образцы располагали на столике Фёдорова. Световод спектрометра, представляющий собой пучок из семи кварцевых моноволокон, подводился к зубу с зазором 0÷1 мм. Центральное волокно служило для транспортировки облучающего излучения, остальные шесть волокон – для приема флюоресценции. Таким образом, зона зондирования при контакте с исследуемым образцом определялась диаметром моноволокна, который равен 200 мкм.

Результаты. Выполненный в рамках данной работы комплекс исследований по флюоресценции зубных тканей в норме и с патологиями позволяет сделать следующие обобщающие выводы.


  • Соотношение интенсивностей флюоресценции от здоровых и пораженных пародонтитом участков зуба зависит как от длины волны возбуждения, так и от области наблюдения в спектре флюоресценции.

  • Сигнал от камней сильно превышает сигналы флюоресценции от эмали и дентина в спектральной области 620–770 нм. При этом спектры флюоресценции от эмали и корня зуба монотонно спадают с ростом длины волны, что позволяет идентифицировать зубные отложения.

  • Спектры флюоресценции светлого и темного камня отличаются. Как известно, зубные камни различают по пространственному расположению – наддесневой и поддесневой. Цвет камня обусловлен его элементным составом и может существенно сказываться на спектре флюоресценции. Однако флюоресцентная методика позволяет отличать зубной камень от тканей зуба независимо от цвета камня.

  • При возбуждении ультрафиолетом флюоресценция сильно возрастает в сине-зелёной области спектра. При этом её интенсивность от здоровых участков зуба превышает ее величину от камней в 5–10 раз. При возбуждении на длине волны 405 нм явной закономерности в соотношении интенсивностей флюоресценции от рассматриваемых участков зуба не выявлено.

  • Спектры флюоресценции зубных камней имеют характерные линии (полосы) при возбуждении источниками, излучающими в сине-зелёной области спектра. Особенно ярко выражены эти линии на длинах волн 570, 625 и 690 нм. При этом интенсивность флюоресценции от камней превышает интенсивность флюоресценции от здоровых участков зуба в 4–7 раз (рис. 1,а). Происхождение трёх отмеченных линий-полос надо объяснять флюоресцен­цией порфиринов [11, 13–15], которые связаны с остатками микроорганизмов в зубных отложениях.

  • С ростом длины волны возбуждения (более 590 нм) в спектрах флюоресценции зубных камней наблюдается широкий купол с максимумом в области 680–700 нм. При этом соотношение интенсивностей флюоресценции от здоровых участков зуба и от камней отличаются в 10–30 раз (рис. 1,б) [16].

Приведенные ниже типичные спектры флюоресценции зубных камней и тканей зуба в норме иллюстрируют сделанные выводы.

Анализ и обработка полученных спектров позволили определить оптимальные для дифференциальной диагностики длины волн возбуждения флюоресценции и спектральные области регистрации информативного сигнала. Результаты обработки спектров приведены на рис. 2. Данные, представленные на рис. 2,а, дают возможность оценить оптимальную длину волны λopt, в окрестности которой регистрация сигнала флюоресценции наиболее предпочтительна, поскольку интенсивность флюоресценции камня If calc в этой спектральной области существенно превышает интенсивность флюоресценции от тканей зуба If root.

Тем не менее, проведенные исследования указывают, что лучший диагностический результат будет достигаться при возбуждении флюоресценции в диапазоне от 590 до 660 нм. Действительно, как видно на рис. 2,б, интенсивности флюоресценции от камня и тканей зуба отличаются друг от друга, по крайней мере, в 5 раз. Но чаще всего это отличие составляет порядок и больше. Полоса регистрации сигнала флюоресценции в таком случае равна 20–30 нм на длинах волн от 670 до 710 нм. Указанную спектральную полосу можно выделить с помощью абсорбционного или интерференционного фильтра.


780 λ, нм

λ, нм

а

б

Рис. 1. Типичные спектры флюоресценции, полученные при возбуждении Nd:YAG лазером (532 нм) (а)

и светодиодом (632 нм) (б) для темного камня (сплошная линия), белого камня (штриховая линия),

корня зуба (штрихпунктирная линия) и коронки зуба (пунктирная линия)


Рис. 2. Поведение оптимальной длины волны регистрации флюоресценции (а) и логарифма отношения интенсивностей флюоресценции от камня и тканей зуба (б) в зависимости от длины волны возбуждения


Главные выводы проведенной работы являются следствием спектральных измерений, выполненных как с помощью лазеров, так и с помощью светодиодов. Очевидно, что применение светодиодов более перспективно как с точки зрения экономичности, так и дешевизны диагностического прибора.

Весьма существенным для практической реализации полученных результатов является тот факт, что применение светодиода позволяет создать компактный прибор, конструктивно соединяемый с устройством (в том числе и ультразвуковым) очистки зубных отложений.

Заключение. Таким образом, можно заключить, что оптимальные с точки зрения диагностики длины волн возбуждения флюоресценции лежат в красной области спектра (590–660 нм). Спектральная полоса регистрации флюоресценции оптимальна в диапазоне от 670 до 710 нм. Исследования показали, что для надежной регистрации информативного сигнала флюоресценции достаточно использовать как лазеры, так и светодиоды с выходной мощностью на уровне 100 мкВт, что соответствует безопасной норме лазерного облучения. Полученные результаты могут служить основой для создания прибора, перспективного для неинвазивной стоматологической диагностики.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 09-02-00515.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


  1. Sherman P.R., Hutchens L.H., Jewson L.G. et al. // J. Periodontol. 1990. V. 61. P. 3.

  2. Rees J.S., Addy M., Hughes J. // J. Clin. Periodontol. 1999. V. 26. P. 106.

  3. Tugnait A., Clerehugh V., Hirschmann P.N. // J. Dent. 2000. V. 28. P. 219.

  4. Folwaczny M., Heym R., Mehl A. et al // J. Periodontol. 2002. V. 73. P. 597.

  5. Kocher T., Strackeljan J., Behr D. // J. Dent. Res. 2000. V. 79. P. 829.

  6. Qin Y.L., Luan X.L., Bi L.J. et al. // B. Biology. 2007. P. 88.

  7. Buchalla W., Lennon AM., Attin T. // J Periodont Res. 2004. V. 39. P. 327.

  8. Kurihara E., Koseki T., Gohara K. et al. // J. Periodont Res. 2004. V. 39. P. 59.

  9. Schimidlin P.R., Beuchat M., Busslinger A. et al. // J. Clin. Periodontol. 2001. V. 28. P. 1058.

  10. Krause F., Braun A., Frentzen M. // Laser Med. Sci. 2003. V. 18. P. 32.

  11. Sinyaeva M., Mamedov A., Vasilchenko S. et al. // Las. Phys. 2004. V. 14(8). P. 1132.

  12. Bakhmutov D., Gonchukov S., Kharchenko O. et al. // Las. Phys. Lett. 2008. V. 5(5). P. 375.

  13. Tan B., Gillam D., Mordan N. et al. // J. Clin. Periodontol. 2004. V. 31. P. 364.

  14. Kotoku Y., Kato J., Akashi G. et al. // Las. Phys. Lett. 2009. V. 6. P. 388.

  15. Бахмутов Д.Н., Гончуков С.А., Никифорова О.А. и др. // Мед. физика. 2006. Т. 1(29). C. 50.

  16. Bakhmutov D., Gonchukov S., Sukhinina A. // Las. Phys. Lett. 2010. V. 7(5). P. 384.




ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том I


База данных защищена авторским правом ©zubstom.ru 2015
обратиться к администрации

    Главная страница