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評估深層牙齦炎癥-一種用于牙科新臨床成像技術
閱讀：579 發布時間：2022-6-1
牙齦是包圍并保護牙齒的軟組織。健康的牙齦能夠有效防止牙周深層組織損傷，因此牙齦也是患者牙周健康的重要指標。目前評估牙齦組織健康的方法包括視診和探診，都是定性且主觀的方法。當涉及更復雜情況的時候就判斷就比較麻煩，如牙齦生物型發生變化，就需要考慮牙齦的特征和厚度。如果能利用無創成像技術獲得深層結構和血管信息，我們就能夠對牙周狀況進行更準確的診斷。基于此，Nhan M. Le等人提出了一種三維成像技術，光學相干斷層掃描（optical coherence tomography, OCT），對人牙齦進行原位成像。招募了10名志愿者(5名男性，5名女性，年齡25-35歲)；使用zuixianjin的swept-source OCT設備和OCT造影技術（optical coherence tomography angiography, OCTA）相結合，掃描了上切牙的唇牙齦組織。構建出了穿透深度達2 mm的牙齦組織微結構和毛細血管的3D結構。發現不同生物型(即厚牙齦和薄牙齦)之間存在顯著的結構和血管差異，而且血管排列特點和牙齦炎癥也有關聯。在本研究的范圍內，OCT/OCTA技術在量化牙齦生物型的不同屬性和牙齦炎癥的嚴重程度方面是可行的。研究結果以“A noninvasive imaging and measurement using optical coherence tomographyangiography for the assessment of gingiva: An in vivo study"為題發表在Journal of BIOPHOTONICS。
盡管對牙周病的認識有所提高，但目前的診斷和評估嚴重依賴于傳統方法，如牙周探診和視診是否有出血或菌斑。雖然這些方法應用廣泛認同度高，但通常需要有經驗的臨床醫生對每個特定的情況進行客觀的評估。即使是非常有經驗的臨床醫生在進行評估時仍然難以準確監測牙周病的進展。此外這些方法也多會形成創口。目前評估方法之一是使用牙齦指數（Gingival Index）對牙齦炎癥程度打分，這需要探查已經發炎的牙周組織，并可能導致不必要的疼痛和出血。通過探診法判斷出血情況的幾個牙齦炎指數如齦乳頭出血指數（papillary bleeding index）、邊緣探查出血情況和伊士曼齒間出血指數（Eastmaninterdental bleeding index）。但由于無法保證每次檢查的探診頻率和力度，這些方法的可靠性和可重復性也會受到質疑。此外，不同患者的牙齦厚度和外觀情況也比較復雜，如牙周生物型不同，會導致上述方法產生更多變化和誤差。牙齦較薄的患者的牙齦可能會呈現出自然偏粉紅色的外觀，這可能誤導視診結果。因此如果要對牙周炎進展進行準確診斷和評估，除牙齦指數之外，還需要進行放射照相評估、附著喪失證據、牙齒活動性檢查等等。但即使加上這些復雜的檢測，仍然難以對疾病進展進行一個準確即時的監測。
為觀察牙齦組織的顯微結構和脈管系統，研究人員引入了光學相干斷層掃描(optical coherencetomography, OCT)和光學相干斷層掃描血管造影術(OCT angiography, OCTA)，實現在體內無創、定性和定量對牙齦組織成像。OCT是一種非接觸、非侵入性的成像方式，通過檢測組織的反向散射光，結合一定算法生成類似超聲波的橫截面圖像，分辨率可達微米級別。OCTA最初成功應用在眼睛成像方面，具有分離動態和靜態信號的能力，俗稱血管和非血管信號。OCT和OCTA在眼科中的應用非常成功，并且由于其能夠對微循環網絡進行高分辨率3D成像這一優勢，在神經成像和皮膚病學研究中也得到應用并取得一定成果。在牙科領域，約二十年前就有OCT用于口腔軟組織的報道，近期較為突出的進展是是使用swept-source OCT 定量測量牙齦溝。現有文獻對OCT測定牙齦精細微結構，以及體內觀測牙齦脈管系統的能力描述相差較大。本文將深度增強的swept-source OCT作為一種新的牙齦結構和微血管3D成像技術。使用OCT和OCTA系統對距牙齦表面2 mm深處進行掃描，視野在2 × 2和10 × 10 mm2之間，分辨率高達10 μm，并且能夠分辨牙齦內的微毛細管環。
OCT掃描角度如圖：
B-scan圖發現口腔上皮產生了高強度的掃描層，可能是一種散射度較高的介質(圖2A)。臨床上認為牙齦組織口腔上皮是一種分層的鱗狀角化上皮，從膜齦聯合延伸到齦緣。口腔上皮進一步可細分為基底層、棘層、顆粒層和角質層(圖2B)，但OCT掃描圖下各層之間的分化界限并不明顯。
圖2通過3D OCT掃描得到的人體內牙齦組織顯微結構細節。（A）附著齦和游離齦OCT B-scan掃描圖，交替的亮條紋為上皮釘突，下暗區域為結締組織。（B）牙齦的典型組織學切片，上皮釘突與(A)中OCT掃描出的橫截面類似。(C)250μm深度的正面截面圖，附著齦表現出蜂窩結構，齦緣沒有。(D)350μm深度的正面截面圖，蜂窩狀結構更致密。
在口腔上皮的下方，結締組織通過上皮結締組織界面與上皮區分開，上皮結締組織界面上皮向結締組織的凸起稱為上皮釘突，結締組織向上皮釘突之間伸出突起，稱結締組織乳頭。在OCT掃描圖中可觀察到呈現對應明暗的條紋(圖2A)，與傳統的組織切片表現非常一致(圖2B)。en-face截面圖中(圖2C和圖3)，交替的突起呈密集“蜂窩結構"，尺寸在30至80μm之間，通常出現在200至300μm深度處，并隨深度增加而逐漸增加(圖2D)。這些圓形孔隙的模式最好描述為隨機的(在正面切片上)。牙槽粘膜區出現很少或根本沒有蜂窩結構(圖3)。
圖3:正面OCT掃描切片圖清晰地描繪了牙齦中的蜂窩狀結構，深度取決于牙齦生物型。上為厚生物型，下位薄生物型。（A，D）厚薄型牙齦不同深度的正面OCT掃描切片，蜂窩結構最初出現深度約為250μm。薄牙齦蜂窩狀結構較小，部分被來自粘膜牙齦區域的軟組織(更亮且更均勻)所替代。 (B，E) 在中間深度，蜂窩結構呈現出較高對比度，“密度"和“廣度"情況顯示較為明顯。(C，F)在網脊層之下，出現軟組織并顯示出光滑明亮的斑塊。厚生物型的蜂窩結構通常比薄生物型的蜂窩結構更厚、更深(在三個正面深度上觀察到)，也更大(頰側面積更大)。牙齦表面以下> 350μm處為網狀皮層(圖3C，F)，OCT掃描圖中呈現光滑的結構，有血管遮擋的陰影。炎癥發生時伴隨血管數量增加可能會使這部分結構圖像發生變化更為明顯。由于正常健康牙齦中該層幾乎是均勻的，OCT掃描下反射強度較低，因此還無法進行詳細觀察，只能根據表型如在牙齦中出現的深度，是否有局部異常拓撲結構等來推測是否有炎癥。
牙齦在OCTA觀察下呈現出三個不同的區域:牙槽粘膜、附著齦和游離齦。這三個區域主要可以通過兩個方面來區分：不同血管的出現，以及牙齦表面下每種血管類型的排列，如沿深度的出現順序、每種血管類型的方向和大小。
根據在OCTA下對人體牙齦的觀察，無論性別，至少有三種不同類型的血管，分別為：毛細血管(或毛細血管環)、小聯結血管和大血管。據觀察，毛細血管是微出血血管，尺寸從12μm以下到30μm不等。這些毛細血管通常形成環，在附著牙齦和牙槽粘膜表面延伸。游離齦毛細血管稍大并呈冠狀延伸。較大的聯結血管尺寸在30-200μm之間，通常出現在距牙齦表面200-600μm間，毛細血管也在這里匯集成更大的血管。除非牙齦發炎，否則這些小的連接血管很少出現在附著齦中，這可能會幫助我們發現牙齦炎和早期牙周炎。最終，聯結血管與大血管匯合，大血管尺寸通常在200-400μm之間，至少500μm深。
牙槽粘膜的特征是有致密的血管，包括所有三種類型的血管：小毛細血管，一般尺寸小于15μm，深度50-200μm；小的聯結血管，一般尺寸200-600μm之間，距牙齦表面約200-700μm深；大血管，尺寸通常在400μm以上，距牙齦表面約700μm以上。
附著齦中小的聯結血管較少，較大的血管也少且更深，約600-1300μm。附著齦中的大血管通常起源于牙槽粘膜區的大血管，延伸穿過附著齦，在游離牙齦區分裂成更小的血管。因此附著齦中的毛細血管環更長，通常從深層的大血管(約600-800μm深度)延伸到淺層(約50μm深度)。血管方向通常平行于牙齦表面的平面，即垂直于OCT掃描的en-face。
游離齦的特征是有聯結血管、致密且稍大的毛細血管(直徑可達30μm)，偶爾有大血管終端。附著齦正截面上幾乎沒有聯結血管。聯結血管的區別與游離齦溝劃分的游離齦和附著齦結果較一致。本文通過OCT掃描附著齦和游離齦之間的表面拓撲變化來識別游離齦溝(圖1A)。圖4中代表游離齦溝的虛線與中間/深層聯結血管的出現情況一致。但并不是每個個體中都能觀察到明顯的游離齦溝，因此，我們依賴于中/深層小聯結血管的出現(圖4C，D，G，H)來確定附著/游離齦的邊界。由于小的聯結血管是逐漸出現在不同的深度的，而且由于個體不同牙齦厚度，我們無法選擇固定的正面深度來觀察聯結血管的出現，此外基于牙齒的功能、不同的個體牙齦的生物類型和牙齦的狀況，聯結血管的排列情況也會變得極其復雜，因此我們認為游離/附著齦之間存在的是一種漸進的邊界。從我們最初的觀察來看，游離齦布滿小毛細血管和小聯結血管，這些血管最終與位于游離/附著齦連接處深處的大血管相連。小的聯結血管有時也會在平行于牙齦緣的方向上相互連接，逐漸與不同深度的較大血管匯合，并在附著齦中*消失。該區域的毛細血管環平行于正面平面，垂直于牙齦緣。游離牙齦毛細血管的平均尺寸在10到30μm之間，結締血管的平均尺寸在50到100 μm之間。
圖4男性(上排)和女性(下排)受試者健康牙齦的OCTA血管造影圖片中觀察到的不同血管模式。（A）男性受試者OCTA血管造影照片(深度超過1mm)。白色虛線表示游離齦溝。不同深度的正面切片觀察到的詳細的血管模式圖：(B)小毛細血管(淺層)。(C)小結締血管(中層)。(D)大血管(深層)。(E-H)為對應女性受試者圖片。
表1總結了從OCTA觀察到的每個牙齦區域的血管特征。
研究人員探討了不同生物型牙齦之間的結構和脈管系統，發現與目前對牙齦生物型的認知判斷一致。OCT與OCTA相結合能夠較為明確的區分出不同生物型，這些能夠幫助我們了解不同生物型的功能特點，以及治療過程中這些功能與組織應答和組織愈合之間的關系。
圖5三名志愿者上切牙牙齦組織OCTA造影結果圖。A-D為牙齦健康的男性志愿者。E-H為牙齦健康的女性志愿者。I-L為右側門牙有明顯牙齦發炎的男性志愿者。顏色顯示血管深度，比例尺如圖。 (A-D) 健康的厚生物型，表現為表面毛細血管密集，但缺乏聯結血管和大的深層血管，特別是附著齦區域。 (E-H) 健康的薄生物型，聯結血管和大的深層血管明顯更多，特別在附著齦區域。(I-L)普通生物型但左側切牙發炎，發炎牙齦組織血管情況變化顯著，小的聯結血管(橙黃色)與其他三顆切牙相比明顯更密集。
圖6 不同生物型在特定深度的正面（en-face）及對應垂直（B-scan）的OCTA圖。（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"的牙齦和“厚且平整"的牙齦照片，白色方框內為3D OCT正面掃描的區域。垂直B-scan圖像可以直接觀察齦溝的深度和厚度來判斷生物型的臨床分類。
研究背景
盡管對牙周病的認識有所提高，但目前的診斷和評估嚴重依賴于傳統方法，如牙周探診和視診是否有出血或菌斑。雖然這些方法應用廣泛認同度高，但通常需要有經驗的臨床醫生對每個特定的情況進行客觀的評估。即使是非常有經驗的臨床醫生在進行評估時仍然難以準確監測牙周病的進展。此外這些方法也多會形成創口。目前評估方法之一是使用牙齦指數（Gingival Index）對牙齦炎癥程度打分，這需要探查已經發炎的牙周組織，并可能導致不必要的疼痛和出血。通過探診法判斷出血情況的幾個牙齦炎指數如齦乳頭出血指數（papillary bleeding index）、邊緣探查出血情況和伊士曼齒間出血指數（Eastmaninterdental bleeding index）。但由于無法保證每次檢查的探診頻率和力度，這些方法的可靠性和可重復性也會受到質疑。此外，不同患者的牙齦厚度和外觀情況也比較復雜，如牙周生物型不同，會導致上述方法產生更多變化和誤差。牙齦較薄的患者的牙齦可能會呈現出自然偏粉紅色的外觀，這可能誤導視診結果。因此如果要對牙周炎進展進行準確診斷和評估，除牙齦指數之外，還需要進行放射照相評估、附著喪失證據、牙齒活動性檢查等等。但即使加上這些復雜的檢測，仍然難以對疾病進展進行一個準確即時的監測。
為觀察牙齦組織的顯微結構和脈管系統，研究人員引入了光學相干斷層掃描(optical coherencetomography, OCT)和光學相干斷層掃描血管造影術(OCT angiography, OCTA)，實現在體內無創、定性和定量對牙齦組織成像。OCT是一種非接觸、非侵入性的成像方式，通過檢測組織的反向散射光，結合一定算法生成類似超聲波的橫截面圖像，分辨率可達微米級別。OCTA最初成功應用在眼睛成像方面，具有分離動態和靜態信號的能力，俗稱血管和非血管信號。OCT和OCTA在眼科中的應用非常成功，并且由于其能夠對微循環網絡進行高分辨率3D成像這一優勢，在神經成像和皮膚病學研究中也得到應用并取得一定成果。在牙科領域，約二十年前就有OCT用于口腔軟組織的報道，近期較為突出的進展是是使用swept-source OCT 定量測量牙齦溝。現有文獻對OCT測定牙齦精細微結構，以及體內觀測牙齦脈管系統的能力描述相差較大。本文將深度增強的swept-source OCT作為一種新的牙齦結構和微血管3D成像技術。使用OCT和OCTA系統對距牙齦表面2 mm深處進行掃描，視野在2 × 2和10 × 10 mm2之間，分辨率高達10 μm，并且能夠分辨牙齦內的微毛細管環。
牙齦生物型
牙齦炎癥
OCT掃描角度如圖：
結果與討論
B-scan圖發現口腔上皮產生了高強度的掃描層，可能是一種散射度較高的介質(圖2A)。臨床上認為牙齦組織口腔上皮是一種分層的鱗狀角化上皮，從膜齦聯合延伸到齦緣。口腔上皮進一步可細分為基底層、棘層、顆粒層和角質層(圖2B)，但OCT掃描圖下各層之間的分化界限并不明顯。
圖2通過3D OCT掃描得到的人體內牙齦組織顯微結構細節。（A）附著齦和游離齦OCT B-scan掃描圖，交替的亮條紋為上皮釘突，下暗區域為結締組織。（B）牙齦的典型組織學切片，上皮釘突與(A)中OCT掃描出的橫截面類似。(C)250μm深度的正面截面圖，附著齦表現出蜂窩結構，齦緣沒有。(D)350μm深度的正面截面圖，蜂窩狀結構更致密。
在口腔上皮的下方，結締組織通過上皮結締組織界面與上皮區分開，上皮結締組織界面上皮向結締組織的凸起稱為上皮釘突，結締組織向上皮釘突之間伸出突起，稱結締組織乳頭。在OCT掃描圖中可觀察到呈現對應明暗的條紋(圖2A)，與傳統的組織切片表現非常一致(圖2B)。en-face截面圖中(圖2C和圖3)，交替的突起呈密集“蜂窩結構"，尺寸在30至80μm之間，通常出現在200至300μm深度處，并隨深度增加而逐漸增加(圖2D)。這些圓形孔隙的模式最好描述為隨機的(在正面切片上)。牙槽粘膜區出現很少或根本沒有蜂窩結構(圖3)。
圖3:正面OCT掃描切片圖清晰地描繪了牙齦中的蜂窩狀結構，深度取決于牙齦生物型。上為厚生物型，下位薄生物型。（A，D）厚薄型牙齦不同深度的正面OCT掃描切片，蜂窩結構最初出現深度約為250μm。薄牙齦蜂窩狀結構較小，部分被來自粘膜牙齦區域的軟組織(更亮且更均勻)所替代。 (B，E) 在中間深度，蜂窩結構呈現出較高對比度，“密度"和“廣度"情況顯示較為明顯。(C，F)在網脊層之下，出現軟組織并顯示出光滑明亮的斑塊。厚生物型的蜂窩結構通常比薄生物型的蜂窩結構更厚、更深(在三個正面深度上觀察到)，也更大(頰側面積更大)。牙齦表面以下> 350μm處為網狀皮層(圖3C，F)，OCT掃描圖中呈現光滑的結構，有血管遮擋的陰影。炎癥發生時伴隨血管數量增加可能會使這部分結構圖像發生變化更為明顯。由于正常健康牙齦中該層幾乎是均勻的，OCT掃描下反射強度較低，因此還無法進行詳細觀察，只能根據表型如在牙齦中出現的深度，是否有局部異常拓撲結構等來推測是否有炎癥。
牙齦在OCTA觀察下呈現出三個不同的區域:牙槽粘膜、附著齦和游離齦。這三個區域主要可以通過兩個方面來區分：不同血管的出現，以及牙齦表面下每種血管類型的排列，如沿深度的出現順序、每種血管類型的方向和大小。
根據在OCTA下對人體牙齦的觀察，無論性別，至少有三種不同類型的血管，分別為：毛細血管(或毛細血管環)、小聯結血管和大血管。據觀察，毛細血管是微出血血管，尺寸從12μm以下到30μm不等。這些毛細血管通常形成環，在附著牙齦和牙槽粘膜表面延伸。游離齦毛細血管稍大并呈冠狀延伸。較大的聯結血管尺寸在30-200μm之間，通常出現在距牙齦表面200-600μm間，毛細血管也在這里匯集成更大的血管。除非牙齦發炎，否則這些小的連接血管很少出現在附著齦中，這可能會幫助我們發現牙齦炎和早期牙周炎。最終，聯結血管與大血管匯合，大血管尺寸通常在200-400μm之間，至少500μm深。
牙槽粘膜的特征是有致密的血管，包括所有三種類型的血管：小毛細血管，一般尺寸小于15μm，深度50-200μm；小的聯結血管，一般尺寸200-600μm之間，距牙齦表面約200-700μm深；大血管，尺寸通常在400μm以上，距牙齦表面約700μm以上。
附著齦中小的聯結血管較少，較大的血管也少且更深，約600-1300μm。附著齦中的大血管通常起源于牙槽粘膜區的大血管，延伸穿過附著齦，在游離牙齦區分裂成更小的血管。因此附著齦中的毛細血管環更長，通常從深層的大血管(約600-800μm深度)延伸到淺層(約50μm深度)。血管方向通常平行于牙齦表面的平面，即垂直于OCT掃描的en-face。
游離齦的特征是有聯結血管、致密且稍大的毛細血管(直徑可達30μm)，偶爾有大血管終端。附著齦正截面上幾乎沒有聯結血管。聯結血管的區別與游離齦溝劃分的游離齦和附著齦結果較一致。本文通過OCT掃描附著齦和游離齦之間的表面拓撲變化來識別游離齦溝(圖1A)。圖4中代表游離齦溝的虛線與中間/深層聯結血管的出現情況一致。但并不是每個個體中都能觀察到明顯的游離齦溝，因此，我們依賴于中/深層小聯結血管的出現(圖4C，D，G，H)來確定附著/游離齦的邊界。由于小的聯結血管是逐漸出現在不同的深度的，而且由于個體不同牙齦厚度，我們無法選擇固定的正面深度來觀察聯結血管的出現，此外基于牙齒的功能、不同的個體牙齦的生物類型和牙齦的狀況，聯結血管的排列情況也會變得極其復雜，因此我們認為游離/附著齦之間存在的是一種漸進的邊界。從我們最初的觀察來看，游離齦布滿小毛細血管和小聯結血管，這些血管最終與位于游離/附著齦連接處深處的大血管相連。小的聯結血管有時也會在平行于牙齦緣的方向上相互連接，逐漸與不同深度的較大血管匯合，并在附著齦中*消失。該區域的毛細血管環平行于正面平面，垂直于牙齦緣。游離牙齦毛細血管的平均尺寸在10到30μm之間，結締血管的平均尺寸在50到100 μm之間。
圖4男性(上排)和女性(下排)受試者健康牙齦的OCTA血管造影圖片中觀察到的不同血管模式。（A）男性受試者OCTA血管造影照片(深度超過1mm)。白色虛線表示游離齦溝。不同深度的正面切片觀察到的詳細的血管模式圖：(B)小毛細血管(淺層)。(C)小結締血管(中層)。(D)大血管(深層)。(E-H)為對應女性受試者圖片。
表1總結了從OCTA觀察到的每個牙齦區域的血管特征。
牙齦結構與生物型之間的關系
研究人員探討了不同生物型牙齦之間的結構和脈管系統，發現與目前對牙齦生物型的認知判斷一致。OCT與OCTA相結合能夠較為明確的區分出不同生物型，這些能夠幫助我們了解不同生物型的功能特點，以及治療過程中這些功能與組織應答和組織愈合之間的關系。
圖5三名志愿者上切牙牙齦組織OCTA造影結果圖。A-D為牙齦健康的男性志愿者。E-H為牙齦健康的女性志愿者。I-L為右側門牙有明顯牙齦發炎的男性志愿者。顏色顯示血管深度，比例尺如圖。 (A-D) 健康的厚生物型，表現為表面毛細血管密集，但缺乏聯結血管和大的深層血管，特別是附著齦區域。 (E-H) 健康的薄生物型，聯結血管和大的深層血管明顯更多，特別在附著齦區域。(I-L)普通生物型但左側切牙發炎，發炎牙齦組織血管情況變化顯著，小的聯結血管(橙黃色)與其他三顆切牙相比明顯更密集。
圖6 不同生物型在特定深度的正面（en-face）及對應垂直（B-scan）的OCTA圖。（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"的牙齦和“厚且平整"的牙齦照片，白色方框內為3D OCT正面掃描的區域。垂直B-scan圖像可以直接觀察齦溝的深度和厚度來判斷生物型的臨床分類。
牙齦結構與炎癥的關系
總結
參考文獻：
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.