用于牙科修复的高光谱成像系统

          在Micromachines**杂志上发表的一篇文章中，研究人员使用高光谱成像系统对四颗*体内*上颌前牙进行了比色表征。结果与其他测量系统进行的类似研究进行了比较，以验证所提出的捕获协议。**

研究： 验证用于体内牙齿结构颜色测量的高光谱成像系统。图片来源：Alex Mit/Shutterstock.com

人类牙齿的颜色是如何定义的

          人的牙齿是由牙髓（软组织）包裹着两种硬组织，即牙釉质和牙本质。这些组织中的每一个的光学特征都非常独特，而且它们也非常复杂。由于其半透明性，牙本质主要决定牙齿的颜色，牙釉质的影响很小。然而，牙齿的最终色调在一定程度上受牙釉质和牙本质层厚度的影响，这会影响通过它们的光量。

          由于层厚度根据不同的牙齿部分而变化，而不是在整个牙齿结构上保持不变，因此它会导致沿天然牙齿结构的各个轴的颜色渐变。

          临床环境中使用的标准仪器通常通过单点测量或广泛的综合测量区域来确定颜色，评估牙齿结构内部的这些颜色变化极具挑战性。

*图 1. 用于测量四个上颌切牙的高光谱反射率图像的测量装置的示意图。*

牙科颜色测量工具

          对于牙科中的客观颜色测量，色度计、分光光度计和数字成像系统现在是最常用的工具。这些工具中的每一个都有优点和缺点。

色度计

          尽管测量重现性很强，但色度计容易受到样品表面边缘损失效应带来的系统误差的影响。

分光光度计

          另一方面，由于它们能够检测可见光谱范围内反射的光量，分光光度计可以提供比色度计或数字成像技术更系统、更准确的读数，即使它们需要校准才能进行准确测量。

数字成像系统

          最后，数字成像系统是牙科测量颜色的最简单方法。它们在牙科行业中变得越来越普遍，因为它们在与其他软件和编辑工具一起使用时打开了机会。然而，它们不是系统化的，需要校准，并且在某种程度上涉及人眼的主观阴影选择。

*图 2. 光谱图像捕获协议、数据处理和 CIE L*、a* 和 b* 值提取对应于宫颈、中部和切端三分之一的工作流程方案。*

相邻牙齿和牙段之间的相关性

          许多研究人员使用各种颜色测量工具，包括分光光度计、数码摄影和色度计，试图发现三个牙段（即颈牙、中牙和切牙）之间的颜色关系。这些研究人员得出结论，不同的牙齿和同一颗牙齿的各个部分之间存在相当大的差异，为了最大限度地提高修复效果，应考虑为每颗牙齿和牙齿的不同区域选择独特的颜色。

          因此，本研究通过分析对侧和邻牙以及同一颗牙齿不同区域之间的相关性，旨在验证使用高光谱成像设备对上颌四颗前牙进行活体颜色测量。然后将结果与当前文献中的结果进行比较。

研究是如何进行的

选择参与者

          为了参与这项研究，选择了 30 名参与者（50% 的男性，50% 的女性，年龄从 21 岁到 67 岁不等；平均年龄 29 岁）。在开始高光谱图像采集之前，对所有参与者进行检查以确定目标牙齿的活力。

实验设备和程序

          一个高光谱相机、两个 LED 灯和一个下巴托组成了实验装置。相机距离目标牙齿 15 厘米，以最大化相机捕获区域的大小。最后，LED 灯的布置使得可以实现 CIE 45/0 照明/测量几何形状。

          每次捕获的线积分时间设置为 40 毫秒，对应于大约 8 秒的拍照时间。CIE 2 Standard Observer 和 CIE D65 Standard Illuminant 用于将光谱反射率数据转换为 CIELAB 值。每颗牙齿被分为感兴趣的颈部第三、中间三分之一和切端第三区域，以研究沿牙齿结构的颜色变化。CIE L、a 和 b* 的平均值取自这三个区域。

          使用CIELAB (ΔE * ab )和CIEDE2000 (ΔE 00 )总色差公式计算目标牙齿和牙齿区域之间的色差。此外，匹配的 50:50% 可感知性 (PT) 和可接受性 (AT) 牙科色差标准用于评估 (ΔE * ab ) 和 (ΔE 00 ) 值。

*图 3. ΔE * ab 和 ΔE 00 同一颗牙齿的颈部、中间和切端三分之一之间的颜色差异。*

研究的重要发现

          在每种情况下，上中切牙 (UCI) 和侧切牙 (ULI) 之间的平均色差均超过 AT（ΔE 00 = 5.71–5.74；ΔE * ab = 7.39–7.42）。此外，同一颗牙齿的颈部 (C)、中间 (M) 和切端 (I) 部分之间存在明显的色差。（ΔE 00 = 3.87-4.16 和 ΔE * ab = 5.42-5.92；ΔE00 = 4.37-5.15 和 ΔE * ab = 5.80-8.16；ΔE00 = 4.07-5.03 和 ΔE * ab = 5.01-6.07 在 M 和 I 之间，C和 I 和，分别是 C 和 M）。

          在本研究的限制范围内，使用高光谱相机已被证明是确定活体天然牙齿光谱反射率的可靠且有效的方法。

Reference

Maria Tejada-Casado, Razvan Ghinea, Miguel ángel Martínez-Domingo, María M. Pérez, Juan C. Cardona, Javier Ruiz-López and Luis Javier Herrera (2022) Validation of a Hyperspectral Imaging System for Color Measurement of In-Vivo Dental Structures. Micromachines. https://www.mdpi.com/2072-666X/13/11/1929/htm

塔哈汗

Taha 毕业于 HITEC University Taxila，获得机械工程学士学位。在学习期间，他参与了多个与材料力学、机械设计、传热传质和机器人技术相关的研究项目。毕业后，Taha 在一家 IT 公司 (Immentia) 担任了 2 年的研究主管。他还曾在 Lancerhop 担任自由内容创作者。与此同时，Taha 完成了 NEBOSH IGC 认证并拓展了他的职业机会。