牙科成像技术新突破

牙科成像技术新突破：评估深层牙龈炎症-一种用于牙科新临床成像技术

牙龈是包围并保护牙齿的软组织。健康的牙龈能够有效防止牙周深层组织损伤，因此牙龈也是患者牙周健康的重要指标。目前评估牙龈组织健康的方法包括视诊和探诊，都是定性且主观的方法。当涉及更复杂情况的时候就判断就比较麻烦，如牙龈生物型发生变化，就需要考虑牙龈的特征和厚度。如果能利用无创成像技术获得深层结构和血管信息，我们就能够对牙周状况进行更准确的诊断。基于此，Nhan M. Le等人提出了一种三维成像技术，光学相干断层扫描（optical coherence tomography, OCT），对人牙龈进行原位成像。招募了10名志愿者(5名男性，5名女性，年龄25-35岁)；使用最先进的swept-source OCT设备和OCT造影技术（optical coherence tomography angiography, OCTA）相结合，扫描了上切牙的唇牙龈组织。构建出了穿透深度达2 mm的牙龈组织微结构和毛细血管的3D结构。发现不同生物型(即厚牙龈和薄牙龈)之间存在显著的结构和血管差异，而且血管排列特点和牙龈炎症也有关联。在本研究的范围内，OCT/OCTA技术在量化牙龈生物型的不同属性和牙龈炎症的严重程度方面是可行的。研究结果以“A noninvasive imaging and measurement using optical coherence tomographyangiography for the assessment of gingiva: An in vivo study”为题发表在Journal of BIOPHOTONICS。

研究背景

根据世界卫生组织的报告，口腔疾病相关的公共卫生问题仍然是世界范围内的严重医疗负担，尤其是在发展中国家。牙周病通常需要发展数年，且可能与其他健康问题如心血管疾病和糖尿病有关。据报道，仅在美国，2009年至2010年间约47%的30岁及以上人口受到某些形式牙周炎的困扰，程度从轻度(8.7%)到中度(30.0%)到重度(8.5%)不等。因此，对牙周病进行准确诊断和评估，对帮助降低疾病发展风险以及后续预防和治疗非常重要。尽管对牙周病的认识有所提高，但目前的诊断和评估严重依赖于传统方法，如牙周探诊和视诊是否有出血或菌斑。虽然这些方法应用广泛认同度高，但通常需要有经验的临床医生对每个特定的情况进行客观的评估。即使是非常有经验的临床医生在进行评估时仍然难以准确监测牙周病的进展。此外这些方法也多会形成创口。目前评估方法之一是使用牙龈指数（Gingival Index）对牙龈炎症程度打分，这需要探查已经发炎的牙周组织，并可能导致不必要的疼痛和出血。通过探诊法判断出血情况的几个牙龈炎指数如龈乳头出血指数（papillary bleeding index）、边缘探查出血情况和伊士曼齿间出血指数（Eastmaninterdental bleeding index）。但由于无法保证每次检查的探诊频率和力度，这些方法的可靠性和可重复性也会受到质疑。此外，不同患者的牙龈厚度和外观情况也比较复杂，如牙周生物型不同，会导致上述方法产生更多变化和误差。牙龈较薄的患者的牙龈可能会呈现出自然偏粉红色的外观，这可能误导视诊结果。因此如果要对牙周炎进展进行准确诊断和评估，除牙龈指数之外，还需要进行放射照相评估、附着丧失证据、牙齿活动性检查等等。但即使加上这些复杂的检测，仍然难以对疾病进展进行一个准确即时的监测。为观察牙龈组织的显微结构和脉管系统，研究人员引入了光学相干断层扫描(optical coherencetomography, OCT)和光学相干断层扫描血管造影术(OCT angiography, OCTA)，实现在体内无创、定性和定量对牙龈组织成像。OCT是一种非接触、非侵入性的成像方式，通过检测组织的反向散射光，结合一定算法生成类似超声波的横截面图像，分辨率可达微米级别。OCTA最初成功应用在眼睛成像方面，具有分离动态和静态信号的能力，俗称血管和非血管信号。OCT和OCTA在眼科中的应用非常成功，并且由于其能够对微循环网络进行高分辨率3D成像这一优势，在神经成像和皮肤病学研究中也得到应用并取得一定成果。在牙科领域，约二十年前就有OCT用于口腔软组织的报道，近期较为突出的进展是是使用swept-source OCT 定量测量牙龈沟。现有文献对OCT测定牙龈精细微结构，以及体内观测牙龈脉管系统的能力描述相差较大。本文将深度增强的swept-source OCT作为一种新的牙龈结构和微血管3D成像技术。使用OCT和OCTA系统对距牙龈表面2 mm深处进行扫描，视野在2 × 2和10 × 10 mm2之间，分辨率高达10 μm，并且能够分辨牙龈内的微毛细管环。

牙龈生物型

牙龈厚度(或牙龈生物型)是展示牙周治疗和修复效果的重要因素。Oschenbein和Ross 首先讨论了恢复性治疗计划中的牙龈厚(平)和薄(扇形)的问题，随后Seibert和Lindhe提出了“牙周生物型”（periodontal biotype）这个概念。牙龈的外观和解剖结构能帮助我们理解牙周治疗中涉及的抗炎、愈合能力等问题。科学家们探究了牙龈生物型对不同牙齿疗法的影响，包括对种植治疗、正畸治疗等的影响。但迄今为止牙龈生物型还没有一个明确的分类。已知的几种牙龈生物型是从研究使用的方法和技术角度分类，如超声波测量法、牙周探查透明法和锥形束计算机断层扫描法。每种方法都有优缺点，而且对“厚”和“薄”生物型都有不同定义。因此，本文的目的是根据目前对牙龈生物型的认识，介绍一些使用OCT对牙龈结构和血管造影结果研究中的发现。

牙龈炎症

牙龈脉管系统的变化是监测牙周病严重程度的重要指标。在微生物学和免疫学研究领域，已经认识到宿主的炎症反应在牙龈炎和牙周炎中的重要性。在疾病最初阶段，会发生短暂的急性炎症，如果不治疗会逐渐发展到慢性阶段，而慢性阶段的炎症反应部分体现为血管扩张和血管增生。结合过去二十年医学成像的进步，研究人员对牙龈脉管系统的体内成像进行了大量研究。迄今为止，牙龈显微成像中最引人注目的两种技术是laser Doppler flow（LDF)和正交偏振光谱(orthogonal polarization spectral, OPS)分析，都能够测量血液灌注和微血管系统的变化，但也都有一定弊端，妨碍了它们在临床实践中的广泛应用。LDF只能检测小体积组织中的净红细胞运动，无法评估单个微血管的位置深度、直径和流量。OPS需要接触操作，而且对接触压力敏感，同时也不能得到血管的深度信息。在牙科中，目前OCT尚未探索牙龈的功能性脉管系统，主要依赖传统技术测量龈沟。为对牙龈炎症有更全面的了解，将OCT和OCTA结合起来用于体内牙龈成像。
OCT扫描角度如图：

结果与讨论

牙龈结构
B-scan图发现口腔上皮产生了高强度的扫描层，可能是一种散射度较高的介质(图2A)。临床上认为牙龈组织口腔上皮是一种分层的鳞状角化上皮，从膜龈联合延伸到龈缘。口腔上皮进一步可细分为基底层、棘层、颗粒层和角质层(图2B)，但OCT扫描图下各层之间的分化界限并不明显。

图2通过3D OCT扫描得到的人体内牙龈组织显微结构细节。（A）附着龈和游离龈OCT B-scan扫描图，交替的亮条纹为上皮钉突，下暗区域为结缔组织。（B）牙龈的典型组织学切片，上皮钉突与(A)中OCT扫描出的横截面类似。(C)250μm深度的正面截面图，附着龈表现出蜂窝结构，龈缘没有。(D)350μm深度的正面截面图，蜂窝状结构更致密。在口腔上皮的下方，结缔组织通过上皮结缔组织界面与上皮区分开，上皮结缔组织界面上皮向结缔组织的凸起称为上皮钉突，结缔组织向上皮钉突之间伸出突起，称结缔组织乳头。在OCT扫描图中可观察到呈现对应明暗的条纹(图2A)，与传统的组织切片表现非常一致(图2B)。en-face截面图中(图2C和图3)，交替的突起呈密集“蜂窝结构”，尺寸在30至80μm之间，通常出现在200至300μm深度处，并随深度增加而逐渐增加(图2D)。这些圆形孔隙的模式最好描述为随机的(在正面切片上)。牙槽粘膜区出现很少或根本没有蜂窝结构(图3)。图3:正面OCT扫描切片图清晰地描绘了牙龈中的蜂窝状结构，深度取决于牙龈生物型。上为厚生物型，下位薄生物型。（A，D）厚薄型牙龈不同深度的正面OCT扫描切片，蜂窝结构最初出现深度约为250μm。薄牙龈蜂窝状结构较小，部分被来自粘膜牙龈区域的软组织(更亮且更均匀)所替代。 (B，E) 在中间深度，蜂窝结构呈现出较高对比度，“密度”和“广度”情况显示较为明显。(C，F)在网脊层之下，出现软组织并显示出光滑明亮的斑块。厚生物型的蜂窝结构通常比薄生物型的蜂窝结构更厚、更深(在三个正面深度上观察到)，也更大(颊侧面积更大)。牙龈表面以下> 350μm处为网状皮层(图3C，F)，OCT扫描图中呈现光滑的结构，有血管遮挡的阴影。炎症发生时伴随血管数量增加可能会使这部分结构图像发生变化更为明显。由于正常健康牙龈中该层几乎是均匀的，OCT扫描下反射强度较低，因此还无法进行详细观察，只能根据表型如在牙龈中出现的深度，是否有局部异常拓扑结构等来推测是否有炎症。牙龈在OCTA观察下呈现出三个不同的区域:牙槽粘膜、附着龈和游离龈。这三个区域主要可以通过两个方面来区分：不同血管的出现，以及牙龈表面下每种血管类型的排列，如沿深度的出现顺序、每种血管类型的方向和大小。根据在OCTA下对人体牙龈的观察，无论性别，至少有三种不同类型的血管，分别为：毛细血管(或毛细血管环)、小联结血管和大血管。据观察，毛细血管是微出血血管，尺寸从12μm以下到30μm不等。这些毛细血管通常形成环，在附着牙龈和牙槽粘膜表面延伸。游离龈毛细血管稍大并呈冠状延伸。较大的联结血管尺寸在30-200μm之间，通常出现在距牙龈表面200-600μm间，毛细血管也在这里汇集成更大的血管。除非牙龈发炎，否则这些小的连接血管很少出现在附着龈中，这可能会帮助我们发现牙龈炎和早期牙周炎。最终，联结血管与大血管汇合，大血管尺寸通常在200-400μm之间，至少500μm深。牙槽粘膜的特征是有致密的血管，包括所有三种类型的血管：小毛细血管，一般尺寸小于15μm，深度50-200μm；小的联结血管，一般尺寸200-600μm之间，距牙龈表面约200-700μm深；大血管，尺寸通常在400μm以上，距牙龈表面约700μm以上。附着龈中小的联结血管较少，较大的血管也少且更深，约600-1300μm。附着龈中的大血管通常起源于牙槽粘膜区的大血管，延伸穿过附着龈，在游离牙龈区分裂成更小的血管。因此附着龈中的毛细血管环更长，通常从深层的大血管(约600-800μm深度)延伸到浅层(约50μm深度)。血管方向通常平行于牙龈表面的平面，即垂直于OCT扫描的en-face。游离龈的特征是有联结血管、致密且稍大的毛细血管(直径可达30μm)，偶尔有大血管终端。附着龈正截面上几乎没有联结血管。联结血管的区别与游离龈沟划分的游离龈和附着龈结果较一致。本文通过OCT扫描附着龈和游离龈之间的表面拓扑变化来识别游离龈沟(图1A)。图4中代表游离龈沟的虚线与中间/深层联结血管的出现情况一致。但并不是每个个体中都能观察到明显的游离龈沟，因此，我们依赖于中/深层小联结血管的出现(图4C，D，G，H)来确定附着/游离龈的边界。由于小的联结血管是逐渐出现在不同的深度的，而且由于个体不同牙龈厚度，我们无法选择固定的正面深度来观察联结血管的出现，此外基于牙齿的功能、不同的个体牙龈的生物类型和牙龈的状况，联结血管的排列情况也会变得极其复杂，因此我们认为游离/附着龈之间存在的是一种渐进的边界。从我们最初的观察来看，游离龈布满小毛细血管和小联结血管，这些血管最终与位于游离/附着龈连接处深处的大血管相连。小的联结血管有时也会在平行于牙龈缘的方向上相互连接，逐渐与不同深度的较大血管汇合，并在附着龈中完全消失。该区域的毛细血管环平行于正面平面，垂直于牙龈缘。游离牙龈毛细血管的平均尺寸在10到30μm之间，结缔血管的平均尺寸在50到100 μm之间。图4男性(上排)和女性(下排)受试者健康牙龈的OCTA血管造影图片中观察到的不同血管模式。（A）男性受试者OCTA血管造影照片(深度超过1mm)。白色虚线表示游离龈沟。不同深度的正面切片观察到的详细的血管模式图：(B)小毛细血管(浅层)。(C)小结缔血管(中层)。(D)大血管(深层)。(E-H)为对应女性受试者图片。表1总结了从OCTA观察到的每个牙龈区域的血管特征。

牙龈结构与生物型之间的关系

对与厚生物型和薄生物型牙龈目前还没有通用的划分标准。OCT扫描发现厚生物型牙龈中蜂窝状结构的密度、对比度、延伸深度和广度都远高于薄生物型牙龈(图3)。此外根据OCTA血管造影成像结果，厚生物型牙龈的大血管的尺寸深度也大于薄生物型的牙龈（图5）。结合以上观察发现，厚生物型通常具有密集广泛的蜂窝结构，对应从表层到1mm厚的中层都缺乏联结血管和非常深的大血管。相比之下，薄生物型通常蜂窝结构较薄且不太广泛，对应表层也具有明显更多的联结血管和大血管。研究人员选择了距表面350μm和644μm这两个特定厚度进行了OCT和OCTA扫描（图6）。研究人员探讨了不同生物型牙龈之间的结构和脉管系统，发现与目前对牙龈生物型的认知判断一致。OCT与OCTA相结合能够较为明确的区分出不同生物型，这些能够帮助我们了解不同生物型的功能特点，以及治疗过程中这些功能与组织应答和组织愈合之间的关系。
图5三名志愿者上切牙牙龈组织OCTA造影结果图。A-D为牙龈健康的男性志愿者。E-H为牙龈健康的女性志愿者。I-L为右侧门牙有明显牙龈发炎的男性志愿者。颜色显示血管深度，比例尺如图。 (A-D) 健康的厚生物型，表现为表面毛细血管密集，但缺乏联结血管和大的深层血管，特别是附着龈区域。 (E-H) 健康的薄生物型，联结血管和大的深层血管明显更多，特别在附着龈区域。(I-L)普通生物型但左侧切牙发炎，发炎牙龈组织血管情况变化显著，小的联结血管(橙黄色)与其他三颗切牙相比明显更密集。图6 不同生物型在特定深度的正面（en-face）及对应垂直（B-scan）的OCTA图。（A，B）厚生物型644 μm深度。(C，D)薄生物型的644 μm深度。(E，F)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”的牙龈和“厚且平整”的牙龈照片，白色方框内为3D OCT正面扫描的区域。垂直B-scan图像可以直接观察龈沟的深度和厚度来判断生物型的临床分类。

牙龈结构与炎症的关系

研究人员还探究了OCTA对牙龈炎症的评估情况，对牙龈表层和中层进行OCT和OCTA扫描。发现与正常健康的牙龈相比，炎症牙龈的小联结血管的数量显著增加(图5，图7)。图7 使用OCT和OCTA对同一名志愿者左右不同健康状况的门牙牙龈进行成像，观察差异。A为健康牙龈。B为炎症牙龈。炎症部位没有(或很少有)蜂窝状结构，代替的是光滑结缔组织。与健康牙龈相比，发炎牙龈在发炎部位具有明显更密集和更浅的小联结血管。

总结

本文采用无创成像方式，首次详细介绍了体内牙龈组织和脉管结构。探究了牙龈结构与生物型划分及牙龈验证等的关系。该方法具有非侵入性的、无标记的、非接触特点，可以实时进行，且成本不高，因此作为传统方法之外的辅助工具，能够极大提高口腔健康评估质量，也可用于临床术前观察指导。但由于OCTA穿透性和牙龈组织强光学散射特性等原因，还有待在临床对其进行更多的可靠性和有效性验证。

参考文献：

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.