Гончуков Флюоресцентная диагностика

точника удобно использовать обычную вольфрамовую лампу накаливания. Ее спектр близок к спектру излучения абсолютно черного тела. Излучение стандартной вольфрамовой лампы можно считать практически не зависящим от длины волны в видимом диапазоне. Небольшой монотонный спад (около 10%) интенсивности с длиной волны не сказывается сколько-нибудь существенно на результатах.

Таким образом, влияние неравномерности коэффициента передачи на исследуемый спектр может быть практически исключено, если предварительно зарегистрировать спектр опорного сигнала I'0(λ) = I0(λ)ּK(λ) и затем разделить I'(λ) на I'0(λ):

I(λ) = {I'(λ)/I'0(λ)}I0(λ),

(6)

где I0(λ) ≈ const. Эта операция выполняется программно. Спектрометр ЛЭСА-5 снабжен оптоволоконным трактом, со-

стоящим из семи кварцевых волокон диаметром 200 мкм. По центральному волокну к исследуемому объекту подается излучение от возбуждающего источника. Шесть других, окружающих центральное волокно, предназначены для сбора флюоресценции и подачи ее на спектрометр. С одной стороны, моноволокна объединены в единый регулярный жгут, образуя зондирующий торец, с другой, – центральное волокно и остальные шесть волокон разветвлены и соединены с источником возбуждения и спектрометром соответственно. Схема экспериментальной установки для спектральных исследований приведена на рис. 5.1.

Интенсивность флюоресценции вообще и ее стоксовых компонент, в частности, на порядки меньше интенсивности возбуждающего излучения. Для отсечки рассеиваемого объектом возбуждающего излучения применяются отрезающие светофильтры. На рис. 5.2 приведены для примера спектральные характеристики пропускания трех абсорбционных светофильтров, используемых при возбуждении флюоресценции на длинах волн 381, 532 и 633 нм. Светофильтры устанавливаются на входе спектрометра.

21

1

2

3

	6				5
4

Рис. 5.1. Схема экспериментальной установки для спектральных исследований: 1 – источник возбуждения, 2 – спектрометр, 3 – оптическое волокно,

4 – предметный столик с объектом исследования, 5 – компьютер, 6 – контроллер

Рис. 5.2. Спектры пропускания светофильтров ЖС-10 (1), ОС-12 (2) и КС-17 (3)

22

5.3.Диагностика начального кариеса

Вразд. 5.3 и 5.4 приводятся основные результаты наших исследований in vitro с десятками зубов, удаленных по причине пародонтита. Интенсивность флюоресценции тканей зубов в норме и при патологиях падает в видимом диапазоне спектра с увеличением длины волны возбуждающего излучения при прочих равных условиях. На рис.5.3 представлены типичные спектры флюоресценции коронки здорового зуба при облучении лазером на длине волны

λвозб = 473 нм. Как видно, интенсивность флюоресценции Iф зависит от пространственного положения исследуемого участка. Флюоресценция более интенсивная там, где толщина прозрачной эмали мала (фиссура и шейка зуба) и, как следствие, обратное рассеяние от дентина велико. Такое поведение Iф имеет место при всех λвозб и должно учитываться при диагностике, базирующейся на изменении интенсивности флюоресценции.

Рис. 5.3. Спектры флюоресценции коронки здорового зуба

для различных участков на его поверхности при λвозб = 473 нм. Зависимости 1 – 6 соответствуют участкам 1 – 6 на рисунке зуба

23

С развитием кариеса спектр флюоресценции изменяется главным образом по интенсивности. При этом для развитого кариеса Iф(λ) от пораженных участков зуба всегда меньше, чем от здоровых участков при любых λвозб. В случае трудно детектируемого начального кариеса соотношение между Iф(λ) от кариозного и здорового участков зависит от λвозб. Причем интенсивность флюоресценции

при λвозб < 400 нм выше у здоровой эмали, чем у эмали, поражен-

ной кариесом, а при λвозб > 400 нм наоборот (рис. 5.4, а, б и в). Процентный вклад во флюоресценцию от здоровой и кариозной эмали

иллюстрирует рис. 5.4, г. Такой характер поведения флюоресценции зависит, главным образом, от изменения оптических свойств твердых тканей зуба (поглощения и рассеяния) при кариесе.

Рис. 5.4. Спектры флюоресценции эмали в норме (сплошная линия) и при раннем

кариесе (пунктир) для λвозб = 369 нм (а), 406 нм (б) и 473 нм (в). Процентный вклад во флюоресценцию от здоровой и кариозной эмали (г)

24

Итак, скрытый внутри эмали участок зуба, пораженный начальным кариесом, можно идентифицировать излучением в желтозеленой части спектра или ближним ультрафиолетом. Отличие лишь в том, что в первом случае это будет светлое пятно, а во втором – темное. Однако контраст пятна будет существенно выше при облучении ультрафиолетом, так как интенсивность флюоресценции падает с ростом λвозб. При λвозб < 400 нм контраст настолько высок, что темные пятна начального кариеса детектируются невооруженным глазом. Рис. 5.5 (на третьей странице обложки) иллюстрирует такую возможность. На рисунке приведено также изображение внутренней структуры зуба, полученное с помощью оптического когерентного томографа (ОКТ). Использование томографа позволило подобрать два подходящих зуба с начальным кариесом, так как начальная форма кариеса еще не затрагивает внешнюю поверхность эмали и не обнаруживается визуально.

5.4. Детектирование зубного камня

Диагностика зубного камня, как и кариеса, основана на отличие флюоресценции здоровых тканей зуба от его патологий. Спектры флюоресценции камня и зубных тканей имеют куполообразную зависимость от длины волны (рис. 5.6). Только при возбуждении камня в сине-зеленой области спектра наблюдаются характерные для порфиринов спектральные линии, которые указывают на присутствие микроорганизмов (см. рис. 5.6, б, в). Аналогичные спектры с характерными линиями наблюдаются при анализе развитого кариеса при возбуждении флюоресценции в сине-зеленой области.

Учитывая локализацию и цвет камней, для оценки были выбраны отношения между интенсивностями флюоресценции «темный

камень-корень» R1 = Iтк/Iк, «темный камень-эмаль» R2 = Iтк/Iэ и «светлый камень-эмаль» R3 = Iск/Iэ. Оптимальная длина волны реги-

страции флюоресценции λрег в зависимости от λвозб не зависит от цвета камней и может быть представлена одной кривой (рис. 5.7). Ошибка на этом рисунке обусловлена разбросом значений для разных пациентов. Значение λрег не является точным оптимальным значением, так как зависимость λрег(λ) имеет монотонный характер, и спектральная полоса на уровне 20 нм вполне приемлема для диагностики.

25

Рис. 5.6. Типичные спектры флюоресценции темного (1) и светлого (2) камня,

дентина (3) и эмали (4) при λвозб = 337 нм (а), 473 нм (б), 532 нм (в) и 633 нм (г)

26

Рис. 5.7. Зависимость оптимальной длины волны регистрации от длины волны возбуждения

Очевидно, что оптимальный спектральный диапазон регистрации должен определяться зависимостью Ri(λвозб). Как видно на рис. 5.8, наиболее приемлемыми для детектирования камня являются спектральные диапазоны 620-645 и 340-370 нм. Отношения R1 и R2 достигают почти два порядка в этих диапазонах. Надо заметить, что флюоресценция камня превышает по интенсивности флюоресценцию от тканей зуба при возбуждении красным светом. При возбуждении ультрафиолетом ситуация – противоположная. Этот факт непринципиален, так как важным является отличие сигналов флюоресценции. Возбуждение красным излучением подходит для идентификации как поддесневого, так и наддесневого камня, в то время как ультрафиолет больше подходит для идентификации поддесневого камня. Казалось бы возбуждение красным более перспективно для диагностики камня, чем ультрафиолетовым светом. Однако окончательное заключение может быть сделано только

27

после точного учета рассеяния и поглощения на выбранных длинах волн, так как именно это будет определять пространственное разрешение на границе «камень-зуб».

Рис. 5.8. Зависимости R1 (1), R2 (2) и R3 (3) от длины волны возбуждения

Химический состав (см. разд. 2) объясняет характер спектров флюоресценции на рис. 5.6-5.8 и, в частности, тот факт, что Iк > Iтк , Iэ > Iтк , Iэ > Iск и Iк > Iэ при возбуждении ультрафиолетом. Эти соотношения противоположны при возбуждении видимым светом, что в основном объясняется влиянием минеральных компонент.

На основании полученных результатов может быть реализован простой метод детектирования зубных камней без использования дорогого спектрометра. Исследуемый зуб облучается лазером или светодиодом непосредственно или с помощью оптического волокна, а флюоресценция регистрируется фотодетектором после абсорбционного отрезающего светофильтра. Усредненные результа-

28

ты измерений, выполненные с помощью спектрометра и простым методом, приведены в табл. 5.1. Как видно, приведенные результаты отличаются, что объясняется различным вкладом флюоресцирующих линий в информативный сигнал. Важно, что достоверность диагностики темного, в первую очередь поддесневого камня, многократно выше в случае простой реализации, чем при измерениях на спектрометре.

Таблица 5.1

Вид	R1 при	R1–1 при	R2 при	R2–1 при	R3 при	R3–1 при
детектиро-	λвозб =	λвозб =	λвозб =	λвозб =	λвозб =	λвозб =
вания	= 633 нм	= 369 нм	= 633 нм	= 369 нм	= 633 нм	= 369 нм
Измерения	50	85	50	52	41	6
на ЛЭСА-5				300
Простая	145	90	195		27	12
реализация

И, наконец, отметим, что использование амплитудной модуляции возбуждающего излучения и узкополосной регистрации флюоресценции позволяют снизить величину интенсивности облучения до 1 Вт/см2, что не превышает интенсивность лазерного излучения, применяемого в низкоинтенсивной терапии.

В заключение авторы выражают искреннюю благодарность главному врачу стоматологической поликлиники № 62 ЮАО г. Москвы, заслуженному врачу РФ, канд. мед. наук О.И. Харченко, аспирантам Д.Н. Бахмутову и О.В. Войтенок за плодотворное сотрудничество в диагностических исследованиях.

В данной работе использованы результаты исследований, выполненных при поддержке РФФИ, грант № 09-02-00515.

29

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Боровский Е.В., Иванов В.С., Максимовский Ю.М., Максимовская Л.Н. Терапевтическая стоматология. М.: Медицина, 1998.

2.Основы стоматологической биохимии. Учебное пособие. М.:

МГМСУ, 2000.

3.Вавилова Т.П., Марокко И.Н., Петрович Ю.А. Основы стоматологической биохимии. М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2000.

4.Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. М.: ДРОФА, 2006.

5.Левшин Л.В., Салецкий А.М. Люминесценция и ее измерения. М.: Изд-во МГУ, 1989.

6.Руководство по оптической когерентной томографии. М.: Физматлит, 2007.

7.Sinyaeva M., Mamedov A., Vasilchenko S., Volkova A., Loschenov V. // Laser Physics. 2004. V. 14. № 8. P. 1132.

8.Tuchin V. Laser and fiber optics in biomedical study (SSU, Saratov, 1998).

9.Roth K., Duczynski E., Van den Heide H-J., Struve B. // Proc. SPIE. 1993. V. 2080. P. 20.

10.Bakhmutov D., Gonchukov S., Kharchenko O., Nikiforova O., Vdovin Yu. // Laser Physics Letters. 2004. V. 1. № 11. P. 565.

11.Бахмутов Д.Н., Войтенок О.В., Гончуков С.А. // Альманах клинической медицины. 2008. Т. 17. Ч. 1. С. 35.

12.Bakhmutov D., Gonchukov S., Kharchenko O., Voytenok O., Zubov V. // Laser Physics Letters. 2008. V. 5. № 5. P. 375.

13.Bakhmutov D., Gonchukov S., Sukhinina A. // Laser Physics Letters. 2010. V. 7. № 5. P. 384.

14.Бахмутов Д.Н., Гончуков С.А., Сухинина А.В., Янушевич О.О. // Ортодонтия. 2010. № 1. С. 22.

15.Бахмутов. Д.Н., Гончуков С.А., Сухинина А.В., Янушевич О.О. // Стоматология. 2010. Т. 89. № 3. С. 27.

16.Gonchukov S., Biryukova T., Sukhinina A., Vdovin Yu. // Laser Physics Letters. 2010. V. 7. № 11. P. 812.

17.Chiou L.-J., Yang Y.-H., Hung H.-C., Tsai C.-C., Shieh T.-Y., Wu Y.-M., Wang W.-C., Hsu T. // J. Periodont. Res. 2010. V. 45. P. 16.

30