牙科超聲影像的研究進展

【關(guān)鍵詞】 超聲影像

　　【摘要】 超聲影像技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用日常的醫(yī)學(xué)診斷中，然而由于人們對聲波在牙齒中的傳播行為缺乏了解，超聲影像技術(shù)在牙科中的應(yīng)用還處于研究階段。近年來，牙科超聲影像的研究取得了較大的進展，本文對這一領(lǐng)域的發(fā)展作了簡要的綜述。

　　關(guān)鍵詞 牙科 超聲影像 有限元法

　　超聲波在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用發(fā)展十分迅速，在預(yù)防、診斷、治療、康復(fù)、監(jiān)護等領(lǐng)域都有較高的實用價值。而超聲成像技術(shù)，以其可靠、的優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用于臨床。隨著超聲診斷儀器和診斷技術(shù)的迅速發(fā)展，超聲探頭分辨率的顯著提高，超聲影像的應(yīng)用范圍不斷擴大。其中一個新的應(yīng)用領(lǐng)域就是牙科。

在發(fā)達國家，拍牙片是預(yù)防性檢查中常用的檢查之一。盡管市場對牙齒影像的需求很大，但這類影像診斷設(shè)備在牙科診療室并不多見。雖然超聲影像技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)扮演了極為重要的角色，然而目前還未能在牙科中使用。一個主要的原因就是超聲波在像牙齒這樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜的介質(zhì)中傳播情況非常復(fù)雜。因此，在過去的幾十年里，牙齒的超聲波影像沒有得到足夠的重視。然而，基于牙齒超聲成像的數(shù)學(xué)模型的研究表明，超聲波對緊密的裂縫，細小的分層以及層與層之間的界面特征非常靈敏，而這些特征很難被X線成像系統(tǒng)顯示出來。更重要的是，由于低能量的超聲波不會對人體健康有任何的損傷，因此比起X線來更具有優(yōu)勢。

超聲波在硬組織中的波長較短，從而具有很高的分辨率，這使得超聲波影像技術(shù)在牙科臨床上的應(yīng)用很有潛力。超聲波可以穿透硬組織，因此原理上可以探測硬組織損傷，例如很難被傳統(tǒng)的X線探測到的齲損。另外，超聲波可以高效地探測到硬組織的裂痕，這種裂痕甚至可以小于聲波的波長。事實上，用傳統(tǒng)的X線很難探測到牙裂。只有當(dāng)射線束和牙裂面垂直時才能很好地被探測到，X線片也不能有效地顯示早期垂直向的根裂，這種裂痕進一步引發(fā)牙髓感染后才能被X線探測到 ［1］ 。微CT有可能成為一種牙裂的臨床診斷技術(shù)，但價格昂貴而且分辨率有限。超聲波可能給患者早期診斷牙體損傷及盡早作出治療方案提供很大的幫助。

　　1 實驗進展

早在1960年，超聲波經(jīng)測試被認為有可能成為一種牙科診斷工具。1968年，Lees和Barber ［2］ 通過在牛牙釉質(zhì)表面，釉-牙本質(zhì)界面以及牙本質(zhì)-髓腔界面的聲波回音測試實驗估計了牙齒上各個部位牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)的厚度。他們在超聲波探頭和牙齒之間隔以一層油以減少聲波的損耗，通過把牙齒外表面磨得很平坦以促進聲波耦合進牙齒內(nèi)部，達到盡量減少一般牙齒外輪廓對聲音的折射和散射。稍后Barber、Lees和Lobone ［3］ 進一步證實在未經(jīng)磨平的牙齒上也能使用相似測量法。他們還用一根固體鋁棒代替水作為與超聲波探頭的耦合介質(zhì)，直接和磨光的牙齒連接，通過探測回波可以將釉質(zhì)和牙本質(zhì)以及牙本質(zhì)和牙髓之間的分界面分辨并測量出來。1993年，Ng等人 ［4］ 用超聲波研究了人的牙齒，得到了相似的結(jié)果。他們用精心制作的PZT探頭把聲波通過水耦合進了離體的人牙。同時，為了研究脫礦的釉質(zhì)他們還在小部分離體牙的釉質(zhì)和釉牙本質(zhì)界面上進行B掃描。2000年，Huysmans等人 ［5］ 用甘油作為耦合介質(zhì)，測量了牙齒各個部位釉質(zhì)的厚度。2002年，Ghorayeb等人 ［6］ 隨機選取了離體的成年人牙進行測試，用水作為耦合介質(zhì)。他們一共測試了四種情況:完整潔凈的牙齒，帶有銀汞合金修復(fù)體及其表面結(jié)石的牙齒，鈣化的牙齒（自然情況下很少發(fā)生），和帶有1mm直徑人為鉆孔的牙齒。分別得到釉質(zhì)和釉牙本質(zhì)界的A掃描信號和牙齒簡單的C掃描影像，并和相應(yīng)的理論結(jié)果做了比較，兩者符合得很好。所有這些研究為用超聲波探測牙齒以及測量釉質(zhì)和牙本質(zhì)的厚度提供了有用的信息。

由于上述的超聲波探測要求牙齒樣品表面非常平坦，動態(tài)地探測整個牙齒還存在很大的困難。因此，以上這些方法還無法在大面積的牙齒上正確掃描出完整的釉牙本質(zhì)界的圖像，這些測量出來的軌跡也不能代表一個完整的牙齒，因為牙質(zhì)和釉質(zhì)的厚度在牙齒的各個地方是有顯著不同的。然而，這些超聲顯微方法能夠成功地成像局部的牙釉質(zhì)損傷，以及探測局部的釉牙本質(zhì)分界面 ［7］ 。2003年，Culjat等人 ［8］ 通過精確地繞著置于水中且表面未作任何處理的離體磨牙旋轉(zhuǎn)超聲波探頭，對該磨牙的周邊進行了B掃描，得到了完整的釉質(zhì)外表面和更深層的釉牙本質(zhì)界面的二維圖像。這些結(jié)果證明超聲波可以正確地探測牙齒中完整的分界面，這意味著超聲波在定位微裂縫、損傷以及其他亞毫米尺寸的缺陷上又邁進了一步，對牙科診斷和治療具有重要的意義。

前面的工作都認為超聲波在牙齒中的傳播行為是各向同性的，事實上這是為了將問題簡化而做出的假設(shè)。2003年Ghorayeb等人 ［9］ 又研究了超聲波在牙齒中傳播時的各向異性性質(zhì)，這項工作為以后精確地模擬超聲波在牙齒中的傳播行為，從而更加清晰地成像人類牙齒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)打下了基礎(chǔ)。超聲波影像技術(shù)還可能被用于牙科的其他領(lǐng)域，尤其是義齒修復(fù)中。1989年，Uchida等人 ［10］ 用一種B型超聲波系統(tǒng)來測量咀嚼粘膜的厚度，Peck等人 ［11］ 則用掃描超聲波顯微法來顯示齲齒的脆性。近年來，Hinders等人研究了用超聲波檢測法來診斷牙周病的可行性 ［12］ 。他們用細小的水流把超聲波引入牙周袋，去探測牙周袋內(nèi)的特征，用這種方法還能探測到上皮組織和結(jié)締組織之間的分界面。

　　2 理論進展

由于超聲波在牙齒中的傳播行為極為復(fù)雜，人們提出了很多的理論模型來分析和理解超聲波在其中的傳播特征，利用這些特征可以判斷出很多牙齒的基本情況以及異常狀態(tài)，以設(shè)計制造相應(yīng)的儀器來探測和獲取人體牙齒內(nèi)部的各種有用信息。

有限元法是一種常用的分析方法。早期的模型通常假設(shè)牙齒為三層，用有限元法可以分析超聲波在包含一個小孔，或者戴有金牙冠套，或者戴有銀汞合金修復(fù)體的牙齒內(nèi)的傳播特征 ［13，14］ 。Ghorayeb等人 ［15］ 闡明了基于三層的有限元模型的合理性，證明了這種模型可以用來預(yù)測和顯示超聲波的傳播以及超聲波和牙體異常部位間的相互作用（例如牙髓炎）。后來的研究給出了更加靈活的模型，可以計算出超聲波在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的牙齒中的傳播行為。

有限元法作為一種數(shù)值求解雙曲型偏微分方程的數(shù)學(xué)工具是比較成熟，也很容易讓人接受的，然而它也有兩個主要的缺點:（1）計算量較大;（2）僅考慮了求解超聲波在牙齒中的傳播和相互作用行為，沒有考慮到超聲波的產(chǎn)生、接收和電路等問題。Ghorayeb等人又提出了另外一種模型，就是基于PSpice（OrCAD，一種電路的仿真工具）的傳輸線模型 ［16］ 。這種模型將超聲波探頭、聚焦透鏡以及牙齒的結(jié)構(gòu)等作為傳播介質(zhì)統(tǒng)一起來考慮，目的是想通過系統(tǒng)的驅(qū)動和接收電路來完全地模擬整個系統(tǒng)的超聲波傳播特性。相比有限元模型，傳輸線模型在計算時間上很有優(yōu)勢，然而，它目前只能處理簡單的一維縱向傳播穿過多層界面的問題。

3 總結(jié)

　　本文簡要地綜述了超聲影像技術(shù)在牙科中應(yīng)用的研究進展，由于超聲影像相對X線影像和CT影像來說有很大 的優(yōu)越性，人們越來越關(guān)注超聲波影像技術(shù)能夠盡早普遍地應(yīng)用于牙科臨床。近幾年來，超聲波影像在牙科中的應(yīng)用研究正在不斷取得進展，我們相信，超聲影像技術(shù)應(yīng)用于牙科臨床只是一個時間問題。

　　參考文獻

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

2 Lees，S，Barber FF.Looking into teeth with ultrasound.Science，1968，161:477-478.

3 FE Barber，S Lees，RR Lobene.Arch.Oral Biol，1969，14:745-760.

　　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.

6 SR Ghorayeb，T Valle，IEEE Trans.Ultrason，F(xiàn)erroelect，F(xiàn)req.Contr，2002，49:1437-1443.

7 A Briggs.Acoustic microscopy.New York:Oxford University Press，1992，165-202.

8 M Culjat，RS Singh，DC Yoon，et al.IEEE transactions on medical Imagˉing，2003，22:526-529.

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.

12 M Hinders，J Lynch，G Mccombs.Rev.Progr.Quantitative NDE，2002，19:1880-1887.

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，F(xiàn)req.Contr，2001，48:1124-1131.