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Detection of Early Dental Caries Using Laser Induced Fluorescence with Back-Scattering Enhancement

23/08/2016  |  Tags: dental laser tips, dental laser,
Abstract —Dental  caries  is  the  infectious  oral  disease  affecting   people  worldwide.  Early  dental  caries  detection  helps  to  prevent   caries  progression  by  non-surgical  methods  and  promote  tooth   remineralization.   A   simple   method   based   on   laser   induced    fluorescence    spectrum    with    backscattered    enhancement    is     proposed   for   the   detection   of   initial   caries   on   vitro   teeth.    Fluorescence  spectra  of  carious  erosion  on  different  status  were   given.   The   radiation   of   backscattering,   reflection   and   auto- fluorescence  from  teeth  was  registered  simultaneously.  By  the   analysis  the  characteristics  of  auto-fluorescence  and  anti-stokes   fluorescence,   both   chemical   variations   and   structural   and    morphological alterations can be evaluated. After the intensity of 
fluorescence   and   backscattering   light   is   normalized   by   the    intensity  of  the  reflection  radiation,  a  measurable  diagnostic   criterion  for  various  stages  of  carious  lesion  is  put  forward.  For   proving this opinion, contrastive study was given in healthy tooth,  factitial  caries,  dental  calculus  and  healthy  enamel  with  surface   breakdown.  Preliminary  results  reveal  that  this  new  method  has   a  high  potential  use  to  diagnose   different  levels   of  carious  teeth   and is reliable to the detection incipient carious erosion, calculus  and filling teeth. 
Keywords-dental  caries;  dental laser tips;  laser  induced  fluorescence;   backscattering light; detection
I. I NTRODUCTION Dental  caries  has  high  incidence  and  seriously  damages   people’s  health,  which  is  a  kind  of  oral  disease  aroused  by   bacterial infection. It is a major aim in the preventive dentistry  to   prevent   demineralization   caused   by   carious   teeth   and    promote remineralization of initial caries. But when the caries  is  only  detected  at  an  incipient  stage,  such  aim  could  be   reached.  Investigation  on  diagnostic  techniques  of  early  caries   has   huge   actual   importance   and   commercial   application.    Traditional  caries  diagnostic  methods  like  dental  explorer  or   visual  inspection  can  only  find  caries  in  moderate  or  cavitated   stage  which  is  irreversible  and  can  be  treated  just  by  filling.   Dental  radiographs  can  only  find  the  carious  erosions  which   are  very  serious  and  have  more  than  one  third  of  the  depth  of   tooth enamel. These conventional methods are not adequate to  detect  initial  caries  for  their  poor  specificity  and  sensitivity.   Furthermore,   the   pattern   of   dental   caries   has   changed    dramatically  now  because  that  the  fluoride  is  added  to  the   drinking  water  and  the  fluoride  toothpastes  are  widely  used.   These  new  damage  is  found  almost  in  the  occlusal  sunken  surface,  the  adjacent  touch  places  between  teeth  and  cracks  of   posterior  dentition ˈ   that  are  difficult  to  examine.  Therefore   more sensitive and reliable diagnosis techniques are required to  detect early non-cavitated caries and monitor its decay process  [1].  Over  the  past  decades,  many  efforts  have  been  made  to   develop  optical  methods  for  caries  detection.  These  methods   include      fiber-optic      trans-illumination      (FOTI)      [4-7],       fluorescence   [8],   photo   thermal   radiometry   [9-11],   multi- photon  imaging  [12],  optical  coherent  tomography  [13][14],   Raman   spectroscopy   [15-20].   All   of   these   are   based   on    character alterations of tooth configuration.    Fluorescence  techniques  are  always  animate  in  terms  of   caries  detection.  Ongoing  investigations  with  laser  and  light   induced  fluorescence  have  demonstrated  different  sensitivity   and  specificity  on  detecting  artificial  and  natural  lesions  of   teeth[21-24].   In  past  years  we  have  put  our  attention  on  researching   caries  detecting  method,  which  registered  induced  florescence   occurring  when  probing  laser  radiation  interacted  with  tooth.   Now,  by  investigating  the  interaction  principles  between  laser   radiation  and  tooth  and  relevance  of    remission  radiation  with   tooth  optic  properties,  we  presented  a  new  method  for  caries   detection  which  analyzed  the  fluorescence  spectra  inluding   backscattering  radiation,  auto  induced  fluorescence  and  back- reflected  light.  This  method  is  verified  by  theoretical  analysis   and experiment results.  II. D IAGNOSTIC  P RINCIPLES People  commonly  think  that  insanitary  oral  cavity  leads  to   the  occurrence  of  carious  damage.  The  acid-base  balance  in   tooth is broken by the increase of oral germs and food residue.  Microbes produce acids, thus, the pH value in oral environment  decreased  to  approximately  3.5.  Under  such  situation,  the   speed of caries erosion is much over the speed of autogenously  repair  of  dent.  In  the  end  a  nonreversible  lesion  in  tooth   occurred [24].   In  the  process  of  the  radiation  of  laser  on  carious  tooth,     auto     induced     fluorescence,     back-reflected     light     and           backscattering   light   would   all   emerge.   Scattering   is   the    duration  of  interaction  of  photons  with  the  substance,  and   altering  the  transmission  direction.  The  morphology  varieties   of tooth tissue can be presented by scattering characters of light  [25].  Rayleigh  scattering  light  could  be  selected  as  a  contrast   criterion  in  the  same  substance  because  the  photon  energy  of   Rayleigh  scattering  is  same  as  excitation  radiation.  In  the   procedure of scatter, backscattered light, which can give status,  mineralization    level    and    teeth    color,    consist    of    much     information   about   dental   ingredients,   composition,   spatial    configuration  [26].  Fluorophore  absorb  some  photons  of  the   excitation light, and produce fluorescence from the superficies  of tissue. Induced fluorescence is the light radiated from living  tissue  with  no  extrinsic  fluorescent  materials.  The  germs  in   tooth   are   intrinsic   fluorescent   substance,   which   play   a    significant  action  during  the  procedure  of  carious  erosion.  The   progress   of   carious   damage   in   teeth   is   related   with   the    continual   spread   of   germs,   and   the   induced   fluorescent    intensity   would   vary   accordingly.   Diagnostic   fluorescence    frequency   of   carious   damage   is   relevant   to   diagnostic    frequency   of   bacteria,   such   as   corpoporphyrines,   zink- porphyrines, protoporphyrines which have the peak intensity at  635,  620,  590  nm  [27][28].  Therefore  using  He-Ne  laser  the   strong  fluorescence  by  resonance  excitation  technique  can  be   achieved.
III. M ATERIALS AND  D TECTION  M ETHODS At  this  study,  we  used  the  He-Ne  laser  (632.8  nm)  as  a   excitation radiation. The excitation power of laser was kept on  2  ±  0.1  mW.  Fluorescence  signal  emitted  from  a  researching   sample go into SP500 monochromator and then enter into PMT  (photoelectric  multiple  tube).  The  experimental  devices  are   placed  on  a  shockproof  platform.  As  shown  in  Fig.1,  there  is   not  any  addition  of  filters  in  detection  structure.  Before  the   teeth  fluorescence  spectra  were  collected  and  analyzed,  the   detection system should be calibrated.Extracted  teeth  were  gathered  by  stomatology  department,   Hospital of WTU.  And erosion degree of teeth were inspected  by  an  experienced  dentist.  The  intro  teeth  were  scratched  to   remove  the  residual  parenchyma  on  it  and  the  specimen  were   completely washed by distillated water. Teeth were reserved in  the 0.9% sodium chloride solution up to examination. The time  interval  between  exelcymosis  and  test  was  no  longer  than   seven    days.    When    examination    was    carried    on,    the     experimental temperature was set as 25 C.
dental laser tips
A  method  using  undulant  nonlinear  conversion  of  photons   was  put  forward  by  doctor  Masychev  V.  I.,  which  is  called   PNC  method  [22].  Rosslyn  Medical  of  U.K.  produced  the   detection  system  named  as  the  Oliver-101 £   diagnosis  system.   A  excitation  light  source  is  chosen  as  He-Ne  laser  for  their   study.   The   optic   fiber   equipment   transfers   the   excitation    radiation  to  the  examined  tooth  and  registers    backscattering   fluorescence and induced fluorescence of the tooth at the same  time. A spectrometer installation examines the fluorescence of  bacteria  porphyrins.  The  excitation  laser  power  was  always   maintained  in  a  domain    from  1  mW  to  5  mW.  They  thought   that  the  backscattered  radiation  comprised  much  messages   relevant to caries ingredients, configuration, spatial pattern and  recorded  induced  fluorescence  signal  can  be  employed  to   discriminate  carious  lesion.  An  optic  filter  was  applied  to   decrease  the  intensity  of  excitation  laser  in  their  detection   system.   Meanwhile,   most   of   light   radiation   with   short    wavelength  and  back  reflection  parts  of  the  radiation  from  the   tissue  was  restrained,  but  the  fluorescence  part  of  the  signal   would  not  be  attenuated.  In  data  treatment  by  computer,  the   attenuated  backscattering  radiation  was  utilized  to  normalize   fluorescence intensity [23].  In the forementioned two diverse techniques, a expert filter  with  long  wavelength  pass  is  chosen  in  their  detection  device.   The laser excitation radiation is suppressed, and back reflection  parts  of  the  radiation  from  the  tissue  was  restrained,  but  the   fluorescence  would  not  be  attenuated.  however,  some  most   important  information  has  been  lost,  for  instance,  changes  of   intensity  in  excitation  line  and  radiation  characteristic  of  short   wavelength   varied   with   tooth   components,   configuration,    spatial pattern. In hospital application, calculus teeth and filling  are  often  taken  as  carious  lesion.  Therefore  a  prospective   research  direction  is  to  search  a  examine  method  that  will   surmount  such  shortcoming.  For  developing  advanced  optical   techniques   for   caries   erosion   detection,   it   is   important   to    understand  the  optic  performances  of  tooth  and  the  reason  of   them being produced. The changes of the optical performances  is  straightly  associated  with  the  level  of  mineral  loss.  Optical   techniques   are   based   on   transmission,   fluorescence   and    scattering  characters  of  the  human  tooth,  that  is  related  to  the   demineralization  extent.  People  also  can  achieve  the  radiation   spectrum  from  filling  tooth.  There  always  are  holes  in  filling   teeth.  In  common  cases,  doctors  will  often  get  rid  of  the   damage  sections  using  drilling  way  before  filling  tooth.  Thus   tooth other section is an ocular appearance of intact tooth with  enamel   lesion,   which   were   chosen   to   discriminate.   The    intensity  of  fluorescence  emission  of  the  external  damaged   enamel nearly has the identical amount as a healthy tooth. Due to  the  external  breakdown,  the  spatial  pattern  of  the  broken   tooth  has  varied  dramatically,  causing  to  that  the  intensity  of   anti-stokes  scattering  radiation  is  higher  than  intact  tooth  and   has  a  maximum  intensity  near  626  nm,  shorter  wavelength.   Thus, the spectra of filling teeth have clear difference with the  intact    teeth    by    this    detection    method.    Irradiation    to     demineralization  tooth  leads  to  an  accumulated  absorption  of   tooth  chromophores.  The  results  has  presented  that  variations   in  fluorescence  spectra  are  straightly  relevant  to  the  degree  of   tooth  mineral  loss,  especially  when  the  excitation  wavelength   is  accurately  adjusted  to  that  of  emission  light.  Except  light   scattering,    germs    or    their    metabolins    could    affect    the     fluorescence    intensity    of    the    carious    damages.    In    our     experiments,    the    normalized    coefficient    of    anti-stokes     scattering C 1  can depict spatial pattern alterations in tooth tissue,  and  the  normalized  coefficient  of  stokes  fluorescence  C 2 ,  can   represent  chemical  variations  in  dental  tissue.  Considering   these   normalized   coefficients   C 1,  C 2  of   special   spectra   of    carious   lesion,   the   various   stages   of   dental   caries   were    evaluated  accurately.  From  fig.5,  it  can  be  seen  that  there  is   obvious  distinction  between  the  area  of  5,  6  and  1,  2,  3,  4,   corresponding   to   filling   teeth,   calculus   and   caries.   The    confusion  of  filling  teeth,  calculus  and  caries  wouldn’t  happen   by our method.

The interaction of excitation radiation with tooth tissue and  the  association  of  remitted  radiation  with  optical  characters  of   caries   is   investigated,   and   spectra   of   excitation   radiation,    reflected and backscattering light are analyzed. Results present  that  the  intensity  of  auto  induced  fluorescence  is  relevant  to   germs or their metabolites and the intensity of stokes and anti- stokes  fluorescence  radiation  is  related  to  tooth  morphology.   The   most   important   aspect   in   our   experiment,   is   the    synchronous   collection   of   the   auto   induced   fluorescence,    reflection  radiation,  backscattering  light  without  filter  and  the   analysis  the  data  using  a  kind  of  algorithm.  Discrimination  of   carious    erosion    was    achieved    by    researching    bacterial     pathology  variation  in  teeth  and  evaluating  configuration  and   morphology   alteration   in   caries.   This   method   has   a   wide    application perspective.