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同時在1300和1950 nm處使用時間分辨反射成像對病變活動進行體外評估
本文要點：本研究的目的使用單光電探測器的時間分辨反射成像系統(tǒng),，在1300 nm和1950 nm波長下通過水的不同吸收來評估齲齒病變的活動性,。在強制空氣干燥60秒期間,，同時監(jiān)測1300 nm和1950 nm波長下10個活動病變和10個停止病變在鄰面和5個活動病變和5個停止病變在咬合面的反射率。使用微型計算機斷層掃描（microCT）測量的高度礦化表面區(qū)用來指示病變活動性,。獲得的短波紅外（SWIR）強度隨時間脫水曲線中提取多個動力學參數,，用來評估病變活動性。由于水的不同吸收,，在1300 nm和1950 nm波長下獲得的曲線反射率差異在區(qū)分活動病變和停止病變上比單獨使用1950 nm波長效果更好,。本研究表明,，使用一個在1950 nm波長下工作的單光電探測器來收集脫水曲線以評估病變活動性是可行的,，并且使用兩個具有不同水吸收的SWIR波長的系統(tǒng)可以提高病變活動性評估的性能。
圖1. 本研究中使用的紅色框中顯示的活動性病變（A）和綠色框中顯示為停滯性病變（B）
牙齒使用微計算機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病變牙齒,。停止病變的表面區(qū)域礦物質含量高，接近健康牙釉質,，而活動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，同時具有活動和停止區(qū)域,。本研究中使用的活動和停止病變的可見圖像和microCT圖像如圖1所示,。活動病變的病變體上方沒有高度礦化的表面區(qū)域,，但在停止病變中則清晰可見,。
圖2. 強制空氣脫水過程中時間分辨反射率測量的實驗裝置
在60秒干燥過程中使用加壓空氣噴嘴，從30顆牙齒中獲取時間分辨SWIR強度測量,。圖2所示的實驗裝置包括兩個操作在1300 nm和1950 nm的光纖光源,。1300 nm光源是一個中心波長為1310 nm,、帶寬為100 nm的掃描激光源。第二個光源的中心波長為1949 nm,，帶寬為0.07 nm,，輸出功率為20 mW。兩個光源都連接到光纖開關,，以每秒4次的切換頻率進行切換,，因此每個60秒脫水運行的每個波長有120次讀數。SWIR光通過光纖準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焦點上（如圖2所示）,，InGaAs探測器被放置在橢球鏡的另一個焦點上以檢測反射光,。計算機控制的空氣噴嘴，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病變和一半的停止病變組成,。兩個對準激光器，紅色和綠色二極管激光器,，以及一個相機和顯示屏用于將牙齒表面對準橢球鏡的第一個焦點,。紅色激光通過光纖與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)境中以保持內部水合,，并在安裝和進行測量前浸泡在水浴中。從水浴中取出每個樣品后,，啟動程序,，激活壓縮空氣噴嘴，使樣品脫水60秒,。
圖3.（左側）兩個活動性（a）和停滯性（b）咬合損傷的標準化脫水曲線,。紅色實線表示1950nm曲線,，藍色虛線表示1300nm曲線。粗黑色實線表示1300/1950差曲線,，從1300nm曲線中減去1950nm曲線
圖4.（右側）10個近端病變在1950 nm處獲得的歸一化脫水曲線（a）以及相應的1300/1950差異曲線（b）,。紅色實線表示活動性病變部位的曲線，藍色虛線表示停滯的病變部位
圖3顯示了從活動和停止的咬合面病變中獲取的脫水曲線示例,。對于活動曲線,，1950 nm的強度從接近零開始,，迅速上升并達到一個平臺。在1300 nm的初始強度不為零,，且強度上升的幅度遠小于1950 nm,。對于停止病變，在1950 nm的強度上升速度要慢得多,，且可能在60秒內未上升,。對于1300 nm的曲線，活動和停止病變的脫水曲線沒有觀察到大的差異,，而顯得非常相似,。對于活動病變，1300 nm減去1950 nm的差異曲線迅速降至零,，且強度不再變化,。由于一些脫水曲線在開始時會有峰值，因此曲線是相對于曲線的最終點進行歸一化的,，而不是最高點,。因此，某些曲線的峰值強度可能超過1.0,。對于停止病變的差異曲線,，強度緩慢接近零。差異曲線下面的面積提供了病變中剩余活動水量的度量,。當病變中存在最多量的活動水時,，兩種波長之間的強度差異最大，隨著水分流失,，歸一化曲線趨于收斂,。
圖4顯示了5個活動和5個停止的鄰面病變的1950 nm脫水曲線以及1300/1950 nm差異曲線,。其中一個活動病變的1950 nm曲線在初始峰值后顯示出強度的輕微下降,，導致差異曲線在5秒后降至零強度以下。圖5顯示了所有咬合面病變的曲線,，包括5個活動病變和5個停止病變,。這些曲線表現出與鄰面病變的活動和停止曲線類似的行為。一個活動病變的曲線在3秒附近出現了強烈的強度尖峰,。在之前的脫水研究中已經觀察到活動病變的這種尖峰現象,。
圖5. 10個咬合損傷在1950 nm處獲得的歸一化脫水曲線（a）以及相應的1300/1950 nm差異曲線（b）。紅色實線表示活動性病變部位的曲線,，藍色虛線表示停滯的病變部位
從1950 nm曲線中提取的兩個參數Delay和ΔI在活動病變和停止病變之間無顯著差異,，無論是哪種病變類型。從1950 nm曲線的Hill擬合中提取的速率在活動和停止的咬合病變之間存在顯著差異,，但在鄰面病變中沒有顯著差異,。從1950 nm曲線中提取的%Ifin在活動病變和停止病變之間無論是咬合還是鄰面病變均存在顯著差異,。從差異曲線中提取的兩個參數，Diff Intensity（強度下降到0.1的時間）和指數擬合的衰減速率（Diff Exp Fit）在活動和停止病變之間均顯示出大的顯著差異,，無論是咬合還是鄰面病變,。表中還顯示了每個參數和病變類型的活動和停止病變之間均值的比率。最大的比率是Diff Exp Fit,，在所有30個病變中平均為38,；其次是Diff Intensity為13，1950%Ifin為9,。因此,，1300/1950 nm差異曲線在咬合和鄰面病變之間提供了更好的活動和停止病變區(qū)分。
對1950 nm處獲取的脫水曲線的分析表明,，兩個參數在區(qū)分活動和停止病變方面并不像使用InGaAs FPA那樣有用,。在之前的兩項研究中，從1950 nm和1450 nm曲線中提取的三個參數Delay,、%Ifin和速率（Hill Fit）在活動病變和停止病變之間均有顯著差異,。在本研究中，只有%Ifin在兩種病變類型中均顯著不同,，而速率（Hill Fit）僅在咬合病變中顯著不同,。使用單探測器設備未觀察到活動病變的強度上升大延遲，因此Delay在區(qū)分活動和停止病變時不是一個有用的參數,。差異的可能原因是較大的成像光斑尺寸和病變表面區(qū)域外散射光的污染,，因為橢球鏡收集了所有大角度散射/反射的光。而對于FPA圖像,，使用的是直徑為15-25 µm的像素焦平面陣列,，聚焦在牙齒表面，并通過小孔徑排除散射光,。
最近的研究表明,，ΔI并不是區(qū)分活動病變和停止病變的可靠參數，而且由于病變的深度和嚴重程度事先未知,，因此不適合用于體內測量,。%Ifin和速率反映了脫水過程的動力學，對病變的深度和嚴重程度的依賴性較小,。復雜動力學參數的計算,，例如差異曲線的指數衰減率和%Ifin，需要對脫水曲線進行擬合,，這可以很容易地自動化以便快速計算,。%Ifin參數在僅基于1950 nm的情況下提供了區(qū)分活動病變和停止病變的性能，并且在之前使用FPA的研究中表現良好,，這表明它比其他參數更穩(wěn)健,，且對成像條件的依賴性較小,。
本研究除了展示單點設備的價值外，還表明獲取多光譜脫水曲線可以有效改善活動和停止病變的區(qū)分,。將較短波長與較長SWIR波長（如1950 nm）結合,，除了獲取脫水差異曲線外還有其他優(yōu)點。當表面水合良好時,，由于強水吸收,，特別是在1450和1950 nm波長處，很難對牙齒進行長波SWIR成像,。牙齒在這些波長下濕潤時幾乎呈黑色,。在口腔環(huán)境中，很難確定被成像的牙齒區(qū)域以及牙齒表面是否在焦點上,。因此,，從1000–1300 nm的較短波長獲取同時圖像應提供其他實際優(yōu)勢。1000 nm的光可能比1300 nm更適合作為第二個波長,，因為1000 nm的水吸收比1300 nm更低,，并且在健康牙釉質中的光散射更大，從而提高牙齒表面的可見度,。為了在光譜響應從1000–1750 nm的常規(guī)InGaAs FPA上使用多光譜方法,，1950 nm的替代波長是必要的，比如1450 nm,，盡管較弱,，但重疊了另一個水吸收帶。使用替代InGaAs的半導體材料開發(fā)的新SWIR成像設備正在研制中,，用于大成像陣列,，這些設備在較長SWIR波長（如1950 nm）下比InGaAs具有更高的靈敏度。
本研究表明,，使用單個工作在1950 nm波長的光電探測器的設備收集脫水曲線以評估病變活動性是可行的,，并且采用兩個具有不同水吸收的SWIR波長的系統(tǒng)在評估病變活動性方面可以有更好的性能。
參考文獻
Wycoff, S., Zhu, Y. & Fried, D. In vitro Assessment of lesion activity using simultaneous time-resolved reflectance imaging at 1300 and 1950 nm. Lasers Med Sci 39, 223 (2024).
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動物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS
In Vivo Imaging System
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上海恒光智影醫(yī)療科技有限公司，被評為“國家高新技術企業(yè)”,，“上海市專精特新中小企業(yè)”,，榮獲“科技部重大儀器專項立項項目”,，上海市“科技創(chuàng)新行動計劃”科學儀器領域立項單位。
恒光智影,，致力于為生物醫(yī)學,、臨床前和臨床應用等相關領域的研究提供先進的、一體化的成像解決方案,。
專注動物活體成像技術,，成像范圍覆蓋 400-1700 nm，同時可整合CT, X-ray,，超聲,，光聲，光熱成像等技術,。
可為腫瘤藥理,、神經藥理、心血管藥理,、大分子藥代動力學等一系列學科的科研人員提供清晰的成像效果,，為用戶提供前沿的生物醫(yī)藥與科學儀器服務。
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