本文要點(diǎn)：本研究的目的使用單光電探測(cè)器的時(shí)間分辨反射成像系統(tǒng),，在1300 nm和1950 nm波長(zhǎng)下通過(guò)水的不同吸收來(lái)評(píng)估齲齒病變的活動(dòng)性,。在強(qiáng)制空氣干燥60秒期間，同時(shí)監(jiān)測(cè)1300 nm和1950 nm波長(zhǎng)下10個(gè)活動(dòng)病變和10個(gè)停止病變?cè)卩徝婧?個(gè)活動(dòng)病變和5個(gè)停止病變?cè)谝Ш厦娴姆瓷渎?。使用微型?jì)算機(jī)斷層掃描（microCT）測(cè)量的高度礦化表面區(qū)用來(lái)指示病變活動(dòng)性。獲得的短波紅外（SWIR）強(qiáng)度隨時(shí)間脫水曲線中提取多個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù),，用來(lái)評(píng)估病變活動(dòng)性,。由于水的不同吸收,，在1300 nm和1950 nm波長(zhǎng)下獲得的曲線反射率差異在區(qū)分活動(dòng)病變和停止病變上比單獨(dú)使用1950 nm波長(zhǎng)效果更好。本研究表明,，使用一個(gè)在1950 nm波長(zhǎng)下工作的單光電探測(cè)器來(lái)收集脫水曲線以評(píng)估病變活動(dòng)性是可行的,，并且使用兩個(gè)具有不同水吸收的SWIR波長(zhǎng)的系統(tǒng)可以提高病變活動(dòng)性評(píng)估的性能。

圖1. 本研究中使用的紅色框中顯示的活動(dòng)性病變（A）和綠色框中顯示為停滯性病變（B）

牙齒使用微計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描（microCT）成像,，分辨率為10微米,。共檢查了120顆牙齒的microCT圖像，選擇了10顆具有鄰面病變和5顆具有咬合面病變的停止病變牙齒,，以及10顆具有鄰面病變和5顆具有咬合面病變的活動(dòng)病變牙齒,。停止病變的表面區(qū)域礦物質(zhì)含量高，接近健康牙釉質(zhì),，而活動(dòng)病變則缺乏高度礦化的表面區(qū)域,。通常牙齒上存在的病變只部分再礦化，同時(shí)具有活動(dòng)和停止區(qū)域,。本研究中使用的活動(dòng)和停止病變的可見(jiàn)圖像和microCT圖像如圖1所示,。活動(dòng)病變的病變體上方?jīng)]有高度礦化的表面區(qū)域,，但在停止病變中則清晰可見(jiàn),。

圖2. 強(qiáng)制空氣脫水過(guò)程中時(shí)間分辨反射率測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置

在60秒干燥過(guò)程中使用加壓空氣噴嘴，從30顆牙齒中獲取時(shí)間分辨SWIR強(qiáng)度測(cè)量,。圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置包括兩個(gè)操作在1300 nm和1950 nm的光纖光源,。1300 nm光源是一個(gè)中心波長(zhǎng)為1310 nm、帶寬為100 nm的掃描激光源,。第二個(gè)光源的中心波長(zhǎng)為1949 nm,，帶寬為0.07 nm，輸出功率為20 mW,。兩個(gè)光源都連接到光纖開(kāi)關(guān),，以每秒4次的切換頻率進(jìn)行切換，因此每個(gè)60秒脫水運(yùn)行的每個(gè)波長(zhǎng)有120次讀數(shù),。SWIR光通過(guò)光纖準(zhǔn)直器傳遞到牙齒表面,，光斑直徑為320 µm（全寬半高），520 µm（1/e2）,。每顆牙齒被放置在鍍銠橢球鏡的一個(gè)焦點(diǎn)上（如圖2所示）,，InGaAs探測(cè)器被放置在橢球鏡的另一個(gè)焦點(diǎn)上以檢測(cè)反射光。計(jì)算機(jī)控制的空氣噴嘴,，孔徑為1 mm,，距離樣品3 cm。20顆具有鄰面病變的牙齒在5 psi下干燥,，10顆具有咬合面病變的牙齒在10 psi下干燥,。每組分別由一半的活動(dòng)病變和一半的停止病變組成,。兩個(gè)對(duì)準(zhǔn)激光器，紅色和綠色二極管激光器,，以及一個(gè)相機(jī)和顯示屏用于將牙齒表面對(duì)準(zhǔn)橢球鏡的第一個(gè)焦點(diǎn),。紅色激光通過(guò)光纖與SWIR激光器耦合，而綠色激光放置在圖2所示的位置,。樣品存放在潮濕環(huán)境中以保持內(nèi)部水合,，并在安裝和進(jìn)行測(cè)量前浸泡在水浴中。從水浴中取出每個(gè)樣品后,，啟動(dòng)程序,，激活壓縮空氣噴嘴，使樣品脫水60秒,。

圖3.（左側(cè)）兩個(gè)活動(dòng)性（a）和停滯性（b）咬合損傷的標(biāo)準(zhǔn)化脫水曲線,。紅色實(shí)線表示1950nm曲線,，藍(lán)色虛線表示1300nm曲線。粗黑色實(shí)線表示1300/1950差曲線,，從1300nm曲線中減去1950nm曲線

圖4.（右側(cè)）10個(gè)近端病變?cè)?950 nm處獲得的歸一化脫水曲線（a）以及相應(yīng)的1300/1950差異曲線（b）,。紅色實(shí)線表示活動(dòng)性病變部位的曲線，藍(lán)色虛線表示停滯的病變部位

圖3顯示了從活動(dòng)和停止的咬合面病變中獲取的脫水曲線示例,。對(duì)于活動(dòng)曲線,，1950 nm的強(qiáng)度從接近零開(kāi)始，迅速上升并達(dá)到一個(gè)平臺(tái),。在1300 nm的初始強(qiáng)度不為零,，且強(qiáng)度上升的幅度遠(yuǎn)小于1950 nm。對(duì)于停止病變,，在1950 nm的強(qiáng)度上升速度要慢得多,，且可能在60秒內(nèi)未上升。對(duì)于1300 nm的曲線,，活動(dòng)和停止病變的脫水曲線沒(méi)有觀察到大的差異,，而顯得非常相似。對(duì)于活動(dòng)病變,，1300 nm減去1950 nm的差異曲線迅速降至零,，且強(qiáng)度不再變化。由于一些脫水曲線在開(kāi)始時(shí)會(huì)有峰值,，因此曲線是相對(duì)于曲線的最終點(diǎn)進(jìn)行歸一化的,，而不是最高點(diǎn)。因此,，某些曲線的峰值強(qiáng)度可能超過(guò)1.0,。對(duì)于停止病變的差異曲線，強(qiáng)度緩慢接近零,。差異曲線下面的面積提供了病變中剩余活動(dòng)水量的度量,。當(dāng)病變中存在最多量的活動(dòng)水時(shí)，兩種波長(zhǎng)之間的強(qiáng)度差異最大,，隨著水分流失,，歸一化曲線趨于收斂。

圖4顯示了5個(gè)活動(dòng)和5個(gè)停止的鄰面病變的1950 nm脫水曲線以及1300/1950 nm差異曲線,。其中一個(gè)活動(dòng)病變的1950 nm曲線在初始峰值后顯示出強(qiáng)度的輕微下降,，導(dǎo)致差異曲線在5秒后降至零強(qiáng)度以下。圖5顯示了所有咬合面病變的曲線,，包括5個(gè)活動(dòng)病變和5個(gè)停止病變,。這些曲線表現(xiàn)出與鄰面病變的活動(dòng)和停止曲線類(lèi)似的行為。一個(gè)活動(dòng)病變的曲線在3秒附近出現(xiàn)了強(qiáng)烈的強(qiáng)度尖峰,。在之前的脫水研究中已經(jīng)觀察到活動(dòng)病變的這種尖峰現(xiàn)象,。

圖5. 10個(gè)咬合損傷在1950 nm處獲得的歸一化脫水曲線（a）以及相應(yīng)的1300/1950 nm差異曲線（b）。紅色實(shí)線表示活動(dòng)性病變部位的曲線,，藍(lán)色虛線表示停滯的病變部位