Наука и Образование: научно-техническое издание: Использование метода инфракрасной диафаноскопии для оценки состояния мягких тканей ротовой полости в стоматологии

УДК 57.087

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

Россия, МГМУ им. И.М. Сеченова

Введение

По статистике Всемирной организации здравоохранения (далее по тексту – ВОЗ) частота поражения пародонта в разном возрасте составляет от 80 до 100 % в 53 странах. На лечение зубов и десен, согласно статистике ВОЗ, тратится 10 % из всех средств, выделяемых на здравоохранение в развитых странах.

Среди заболеваний пародонта наиболее распространенными являются воспалительные заболевания [1].

Обнаружение воспалительных заболеваний пародонта на ранней стадии позволяет повысить эффективность терапии, снизить риск развития необратимых нарушений в тканях и, следовательно, уменьшить продолжительность и стоимость курса лечения.

На современном этапе в стоматологии наибольшей значимостью при постановке диагноза обладают визуальный осмотр и рентгенография, а результаты других исследований имеют уточняющий характер [2]. Но широко применяемые рентгеновские методы иногда противопоказаны (например, в случае беременности), кроме того, для постановки диагноза заболеваний пародонта такой метод, как ортопантомография, не всегда доступен.

Таким образом, разработка новых инструментальных методов обнаружения воспалительных заболеваний пародонта является актуальной и социально-значимой задачей.

В настоящей статье рассмотрена возможность применения оптических методов, в частности метода инфракрасной диафаноскопии, для обнаружения областей воспаления в тканях ротовой полости на стадии первичного повреждения.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

– рассмотрены стадии развития воспаления в тканях ротовой полости;

– рассмотрены оптико-физические свойства тканей ротовой полости в норме и при патологии;

– предложен механизм возникновения и развития воспалительных заболеваний тканей ротовой полости и их взаимосвязь с оптико-физическими характеристиками мягких тканей ротовой полости.

1. Стадии развития воспаления в тканях ротовой полости

В возникновении и развитии болезней пародонта принимают участие множество экзогенных и эндогенных факторов [2].

Основным экзогенным фактором воспалительных заболеваний тканей ротовой полости является микрофлора, колонизирующая поверхности зуба и образующая бактериальный налет [3].

Эндогенными факторами воспалительных заболеваний тканей ротовой полости являются системные заболевания (сахарный диабет, гематологические расстройства и др.), генетическая предрасположенность, наличие злокачественных новообразований, травмы [1 – 3].

Выделяют несколько стадий воспаления тканей ротовой полости [3]. В стадии первичного повреждения, развивающегося в мягких тканях, наблюдается васкулит сосудов в прикрепленном эпителии, что обуславливает динамику кровотока, разрушение коллагеновых волокон в соединительной ткани десны. В стадии развившегося повреждения наблюдается снижение концентрации коллагена в прикрепленном эпителии и инфильтрация лимфоцитов в соединительную ткань десны. В стадии тяжелого воспаления эпителий кармана проникает в подлежащую соединительную ткань. Воспаление распространяется в губчатое вещество альвеолярной кости, главным образом в области сосудов [2]. Распространение воспаления в твердых тканях сопровождается инфильтрацией лейкоцитов в костном мозге, формированием новых кровеносных сосудов [3, 4]. Указанные процессы влекут необратимые изменения структуры твердых тканей ротовой полости: разрушение альвеолярной кости и потерю зубов [1, 3].

При воспалительном процессе в тканях ротовой полости наблюдается Изменение концентраций веществ-хромофоров: воды, оксигемоглобина, гемоглобина, коллагена [1, 3, 6 – 8].

2. Оптико-физические свойства тканей ротовой полости в норме и при патологии

Изменение оптико-физических свойств тканей организма при различных заболеваниях обусловлено изменением концентрации веществ-хромофоров [7]. Основными веществами-хромофорами, определяющими оптико-физические свойства тканей, являются: вода, оксигемоглобин, гемоглобин, коллаген.

Спектральные характеристики основных хромофоров тканей ротовой полости, полученные исследователями в результате обзора литературных источников [9] и в результате спектрофотометрических измерений invitro[7, 10, 11, 13], представленыв таблице 1.

Таблица 1– Спектральные характеристики основных хромофоров тканей пародонта

№ п/п	Вещество-хромофор	Ткани, в состав которых входит вещество-хромофор	Спектральные характеристики	Метод получения спектральных характеристик
1	Вода	Слизистый эпителий, кровь, лейкоцитарный инфильтрат	Рисунок 1 – Спектральная зависимость коэффициента поглощения воды, см^-1 [Hale, Querry, 1973]	Обзор литературных источников [9]
2	Оксигемо-глобин, гемоглобин	Кровь	Рисунок 2 – Спектральная зависимость коэффициента поглощения оксигемоглобина (1) и гемоглобина(2) ,см^-1 [Prahl, 1999]	Спектрофотомерия invitroс использованием интегририрующих сфер[7,10]
3	Коллаген	Фиброзный эпителий, присоединен-ный эпителий, цемент	Рисунок 3 – Спектральная зависимость коэффициента поглощения склеры глаза (1) и обескровленной дермы кожи (2) [А.Н. Башкатов, 2010]	Спектрофотомерия invitro с использованием интегририрующих сфер[11, 13]

Для спектра коэффициента поглощения воды характерно наличие окна прозрачности в диапазоне длин волн 750 – 1100 нм (таблица 1, рисунок 1), что обеспечивает возможность применения излучения ближнего ИК диапазона для обнаружения воспалительных заболеваний [7].

Коэффициент поглощения оксигемоглобина достигает максимальных значений в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра (таблица 1, рисунок 2), что приводит к увеличению коэффициента поглощения тканей ротовой полости в видимом и ближнем ИК диапазоне при воспалительном процессе [6 – 8].

Воспаление в тканях ротовой полости характеризуется увеличением концентрации оксигемоглобина в очаге воспаления в связи с уменьшением потребления кислорода пораженными тканями и уменьшением оттока венозной крови [2].

Коэффициент поглощения оксигемоглобина достигает максимальных значений в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра (таблица 1, рисунок 3), что приводит к уменьшению интенсивности прошедшего воспаленную ткань оптического излучения [6 – 8] и создает возможность применения оптических методов визуализации областей воспаления в тканях [10], в частности метода инфракрасной диафаноскопии [12].

Характер изменения оптико-физических свойств тканей ротовой полости на различных стадиях воспаления представлен в таблице 2.

Таблица 2 – Характер изменения характеристик тканей ротовой полости на различных стадиях воспаления [2, 3]

Характеристика	Стадии воспаления
Характеристика	Первичное повреждение	Раннее повреждение	Развившееся повреждение	Тяжелое повреждение
Структурно-функциональныеизменения	1) Васкулит сосудов в прикрепленном эпителии 2) Снижение количества коллагена в прикрепленном эпителии	1) Васкулит сосудов в прикрепленном эпителии 2) Снижение количества коллагена в прикрепленном эпителии 3)Лимфоцитарный инфильтрат в соединительной ткани десны	1) Продукция IgG клетками плазмы 2) Пролиферация прикрепленного эпителия и эпителия бороздки 3) Аккумуляция воспалительных клеток вдоль сосудов и между коллагеновыми волокнами 4) Потеря коллагена в области патологической активности. 5) Формирование коллагена в отдаленных участках	1) Проникновение эпителия пародонтального кармана в подлежащую соединительную ткань 2) Разрушение соединительных волокон 3) Резорбция гребня альвеолярной кости
Изменение оптико-физических свойств	Увеличение коэффициента поглощения из-за увеличения кровенаполнения тканей и степени оксигенации венозной крови	Увеличение коэффициента поглощения из-за увеличения кровенаполнения тканей и степени оксигенации венозной крови	Увеличение коэффициента поглощения из-за увеличения кровенаполнения тканей и степени оксигенации венозной крови	Увеличение коэффициента поглощения из-за увеличения кровенаполнения тканей и степени оксигенации венозной крови
Время после отложения налета	2-4 дня	4-7 дней	2-3 недели	Различные интервалы времени

Схема возникновения и развития воспалительных заболеваний тканей ротовой полости, предложенная в результате рассмотрения признаков воспаления и оптико-физических свойств тканей пародонта в норме и при патологии, представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема возникновения и развития воспалительных заболеваний тканей ротовой полости [2 – 5]

Таким образом, при развитии воспалительного процесса в тканях ротовой полости наблюдается изменение коэффициента поглощения оптического излучения в ближнем ИК диапазоне.

Заключение

В результате рассмотрения рассмотрения признаков воспаления и оптико-физических свойств тканей пародонта в норме и при патологии предложена схема возникновения и развития воспалительных заболеваний тканей ротовой полости. Показано, что изменение концентрации веществ-хромофоров, по мере развития воспалительного процесса, обуславливает динамику оптико-физических свойств тканей пародонта и, следовательно, возможность применения оптических методов для обнаружения областей воспаления в тканях ротовой полости.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерациив рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы, Соглашение № 14.B37.21.0579 от 10 августа 2012 года.

Список литературы

1. Мюллер Х.-П. Пародонтология: пер. с нем. Львов: ГалДент, 2004. 256 с.

2. Цепов Л.М., Николаев А.И., Михеева Е.А. Диагностика, лечение и профилактика заболеваний пародонта. 3-е изд., испр. и доп. М.: МЕДпресс-информ, 2008. 272 с.

3. Феди П., Вернино А., Грей Д. Пародонтологическая азбука: пер. с англ. / пер. А. Островского, Е. Ханина. М.: Издательский дом «Азбука», 2003. 293 с.

4. Орехова Л.Ю. и др. Заболевания пародонта. М.: Поли Медиа Пресс, 2004. 432 c.

5. Аверьянов П.Ф., Чиж А.Г. Основы общей патологии. М.: Изд-во «Феникс», 2008. 256 с.

6. Пушкарева А.Е. Методы математического моделирования в оптике биоткани: учеб. пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. 103 c.

7. Оптическая биомедицинская оптика: пер. с англ. В 2 т. Т. 1 / под ред. В.В. Тучина. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 560 с.

8. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 500 с.

9. Hale G.M., Querry M.R. Optical Constants of Water in the 200-nm to 200-μm Wavelength Region // Applied Optics. 1973. Vol. 12, no. 3. P. 555-563.

10. Friebel M. Determination of optical properties of human blood in the spectral range 250 to 1100 nm using Monte Carlo simulations with hematocrit-dependent effective scattering phase functions // Journal of Biomedical Optics. 2006. Vol. 11, no. 3. Art no. 034021.

11. Башкатов А.Н., Генина Э.А., Кочубей В.И., Тучин В.В. Оптические свойства склеры глаза человека в спектральном диапазоне 370–2500 нм // Оптика и спектроскопия. 2010. Т. 109, № 2. С. 226-234.

12. Grosenick D., Wabnitz H., Rinneberg H.H., Moesta K.T., Schlag P.M. Development of a time-domain optical mammograph and first in vivo applications //Applied Optics. 1999. Vol. 38, no. 13. P. 2927-2943. DOI: 10.1364/AO.38.002927

13. Башкатов А.Н. Управление оптическими свойствами биотканей при воздействии на них осмотически активными иммерсионными жидкостями: дис. … канд. физ.-мат. наук. Саратов, 2002. 198 с.

14. Генина Э.А., Башкатов А.Н., Тучин В.В., Альтшулер Г.Б., Ярославский И.В. Исследование возможности повышения эффективности лазерного удаления татуировок с помощью оптического просветления кожи // Квантовая электроника. 2008. Т. 38, № 6. С. 580-587.

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211. ISSN 1994-0408