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牙科超声影像的研究进展

来源:中华现代临床医学杂志 作者:刘芳肖峰 2005-9-22
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摘要: 【摘要】 超声影像技术已经被广泛地应用日常的医学诊断中,然而由于人们对声波在牙齿中的传播行为缺乏了解,超声影像技术在牙科中的应用还处于研究阶段。近年来,牙科超声影像的研究取得了较大的进展,本文对这一领域的发展作了简要的综述。 关键词 牙科 超声影像 有限元法 超声波在医学中的应用发展十分迅速,在预防、诊......


  【摘要】 超声影像技术已经被广泛地应用日常的医学诊断中,然而由于人们对声波在牙齿中的传播行为缺乏了解,超声影像技术在牙科中的应用还处于研究阶段。近年来,牙科超声影像的研究取得了较大的进展,本文对这一领域的发展作了简要的综述。
   
  关键词 牙科 超声影像 有限元法
     
  超声波在医学中的应用发展十分迅速,在预防、诊断、治疗、康复、监护等领域都有较高的实用价值。而超声成像技术,以其可靠、无创伤的优点,被广泛的应用于临床。随着超声诊断仪器和诊断技术的迅速发展,超声探头分辨率的显著提高,超声影像的应用范围不断扩大。其中一个新的应用领域就是牙科。

    在发达国家,拍牙片是预防性检查中最常用的检查之一。尽管市场对牙齿影像的需求很大,但这类影像诊断设备在牙科诊疗室并不多见。虽然超声影像技术在医学领域已经扮演了极为重要的角色,然而目前还未能在牙科中使用。一个主要的原因就是超声波在像牙齿这样结构复杂的介质中传播情况非常复杂。因此,在过去的几十年里,牙齿的超声波影像没有得到足够的重视。然而,基于牙齿超声成像的数学模型的研究表明,超声波对紧密的裂缝,细小的分层以及层与层之间的界面特征非常灵敏,而这些特征很难被X线成像系统显示出来。更重要的是,由于低能量的超声波不会对人体健康有任何的损伤,因此比起X线来更具有优势。

    超声波在硬组织中的波长较短,从而具有很高的分辨率,这使得超声波影像技术在牙科临床上的应用很有潜力。超声波可以穿透硬组织,因此原理上可以探测硬组织损伤,例如很难被传统的X线探测到的龋损。另外,超声波可以高效地探测到硬组织的裂痕,这种裂痕甚至可以小于声波的波长。事实上,用传统的X线很难探测到牙裂。只有当射线束和牙裂面垂直时才能很好地被探测到,X线片也不能有效地显示早期垂直向的根裂,这种裂痕进一步引发牙髓感染后才能被X线探测到 [1]  。微CT有可能成为一种牙裂的临床诊断技术,但价格昂贵而且分辨率有限。超声波可能给患者早期诊断牙体损伤及尽早作出治疗方案提供很大的帮助。

  1 实验进展

    早在1960年,超声波经测试被认为有可能成为一种牙科诊断工具。1968年,Lees和Barber [2]  通过在牛牙釉质表面,釉-牙本质界面以及牙本质-髓腔界面的声波回音测试实验估计了牙齿上各个部位牙釉质和牙本质的厚度。他们在超声波探头和牙齿之间隔以一层油以减少声波的损耗,通过把牙齿外表面磨得很平坦以促进声波耦合进牙齿内部,达到尽量减少一般牙齿外轮廓对声音的折射和散射。稍后Barber、Lees和Lobone [3]  进一步证实在未经磨平的牙齿上也能使用相似测量法。他们还用一根固体铝棒代替水作为与超声波探头的耦合介质,直接和磨光的牙齿连接,通过探测回波可以将釉质和牙本质以及牙本质和牙髓之间的分界面分辨并测量出来。1993年,Ng等人 [4]  用超声波研究了人的牙齿,得到了相似的结果。他们用精心制作的PZT探头把声波通过水耦合进了离体的人牙。同时,为了研究脱矿的釉质他们还在小部分离体牙的釉质和釉牙本质界面上进行B扫描。2000年,Huysmans等人 [5]  用甘油作为耦合介质,测量了牙齿各个部位釉质的厚度。2002年,Ghorayeb等人 [6]  随机选取了离体的成年人牙进行测试,用水作为耦合介质。他们一共测试了四种情况:完整洁净的牙齿,带有银汞合金修复体及其表面结石的牙齿,钙化的牙齿(自然情况下很少发生),和带有1mm直径人为钻孔的牙齿。分别得到釉质和釉牙本质界的A扫描信号和牙齿简单的C扫描影像,并和相应的理论结果做了比较,两者符合得很好。所有这些研究为用超声波探测牙齿以及测量釉质和牙本质的厚度提供了有用的信息。

    由于上述的超声波探测要求牙齿样品表面非常平坦,动态地探测整个牙齿还存在很大的困难。因此,以上这些方法还无法在大面积的牙齿上正确扫描出完整的釉牙本质界的图像,这些测量出来的轨迹也不能代表一个完整的牙齿,因为牙质和釉质的厚度在牙齿的各个地方是有显著不同的。然而,这些超声显微方法能够成功地成像局部的牙釉质损伤,以及探测局部的釉牙本质分界面 [7]  。2003年,Culjat等人 [8]  通过精确地绕着置于水中且表面未作任何处理的离体磨牙旋转超声波探头,对该磨牙的周边进行了B扫描,得到了完整的釉质外表面和更深层的釉牙本质界面的二维图像。这些结果证明超声波可以正确地探测牙齿中完整的分界面,这意味着超声波在定位微裂缝、损伤以及其他亚毫米尺寸的缺陷上又迈进了一步,对牙科诊断和治疗具有重要的意义。

    前面的工作都认为超声波在牙齿中的传播行为是各向同性的,事实上这是为了将问题简化而做出的假设。2003年Ghorayeb等人 [9]  又研究了超声波在牙齿中传播时的各向异性性质,这项工作为以后精确地模拟超声波在牙齿中的传播行为,从而更加清晰地成像人类牙齿的内部结构打下了基础。超声波影像技术还可能被用于牙科的其他领域,尤其是义齿修复中。1989年,Uchida等人 [10]  用一种B型超声波系统来测量咀嚼粘膜的厚度,Peck等人 [11]  则用扫描超声波显微法来显示龋齿的脆性。近年来,Hinders等人研究了用超声波检测法来诊断牙周病的可行性 [12]  。他们用细小的水流把超声波引入牙周袋,去探测牙周袋内的特征,用这种方法还能探测到上皮组织和结缔组织之间的分界面。

  2 理论进展

    由于超声波在牙齿中的传播行为极为复杂,人们提出了很多的理论模型来分析和理解超声波在其中的传播特征,利用这些特征可以判断出很多牙齿的基本情况以及异常状态,以设计制造相应的仪器来探测和获取人体牙齿内部的各种有用信息。

    有限元法是一种常用的分析方法。早期的模型通常假设牙齿为三层,用有限元法可以分析超声波在包含一个小孔,或者戴有金牙冠套,或者戴有银汞合金修复体的牙齿内的传播特征 [13,14]  。Ghorayeb等人 [15]  阐明了基于三层的有限元模型的合理性,证明了这种模型可以用来预测和显示超声波的传播以及超声波和牙体异常部位间的相互作用(例如牙髓炎)。后来的研究给出了更加灵活的模型,可以计算出超声波在复杂结构的牙齿中的传播行为。

    有限元法作为一种数值求解双曲型偏微分方程的数学工具是比较成熟,也很容易让人接受的,然而它也有两个主要的缺点:(1)计算量较大;(2)仅考虑了求解超声波在牙齿中的传播和相互作用行为,没有考虑到超声波的产生、接收和电路等问题。Ghorayeb等人又提出了另外一种模型,就是基于PSpice(OrCAD,一种电路的仿真工具)的传输线模型 [16]  。这种模型将超声波探头、聚焦透镜以及牙齿的结构等作为传播介质统一起来考虑,目的是想通过系统的驱动和接收电路来完全地模拟整个系统的超声波传播特性。相比有限元模型,传输线模型在计算时间上很有优势,然而,它目前只能处理简单的一维纵向传播穿过多层界面的问题。

    3 总结

  本文简要地综述了超声影像技术在牙科中应用的研究进展,由于超声影像相对X线影像和CT影像来说有很大 的优越性,人们越来越关注超声波影像技术能够尽早普遍地应用于牙科临床。近几年来,超声波影像在牙科中的应用研究正在不断取得进展,我们相信,超声影像技术应用于牙科临床只是一个时间问题。   

  参考文献

    1 P Goaz,S White.Oral radiology,principles and interpretation.St.Louis,MO:Mosby,1994,644.

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  4 S Ng,P Payne.Ferguson,in proc.Int.Conf.Acoustic Sensing and Imagˉing,London,U.K.,1993,4:82-86.

    5 M Huysmans,J Thijssen.Dentistry,2000,28:187-191.

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    9 SR Ghorayeb,P Petrakis,MMcGrath.Proccedings of the25 th  annual inˉternational conference of the IEEE EMBS cancun.Mexico,2003,9:17-21.

    10 H Uchida,K Kobayashi,M Nagao.Dent Res,1989,68:95-100.

  11 SD Peck,JM Rooe,JAD Briggs.Dent Res,1989,68:107-112.

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    13 SR Ghorayeb,T Xue,W Lord.Dent.Res,1998,77:39-49.

    14 SR Ghorayeb,W Lord,T Xue.Proc.Third aSNT ann Res.Symp,1994,3:27-30.

    15 SR.Ghorayeb,T Xue,W Lord.IEEE ultrasonics symposium,1997,8:1511-1515.

    16 SR Ghorayeb,E Maione,V La Magna.IEEE Trans.Ultrason.Ferroˉelect,Freq.Contr,2001,48:1124-1131.

  作者单位:1 330007南昌江西医学院
   
      2 100871北京大学信息学院 

    (收稿日期:2004-09-07)

    (编辑云 兆) 


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