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Lichtoptische Methoden zur Diagnostik von Schmelz- und Dentinkaries
Lichtoptische Methoden zur Diagnostik von Schmelz- und Dentinkaries
Die Beurteilung neuartiger Kariesdiagnostiksysteme hinsichtlich ihrer Reliabilität und Genauigkeit anhand von Daten, die in klinischen Studien und in In-vitro-Analysen gewonnen werden, ist von großer Bedeutung, um sie für moderne nicht-invasive oder minimal-invasive Behandlungskonzepte nutzen zu können. In dieser Habilitationsschrift berichten sieben Originalarbeiten von In-vitro-Studien, in denen etablierte und innovative Diagnostikmethoden mittels mikrocomputertomographischer Untersuchung validiert worden sind. Weitere sechs Originalarbeiten basieren auf Daten, die In-vivo-Studien entstammen. Der Schwerpunkt wurde auf spezielle Anwendungsformen der Transillumination und der Reflexion gelegt. Zwei weitere Originalarbeiten beschreiben Untersuchungen zu lichtoptischen Eigenschaften von gesundem und kariösem Schmelz und Dentin gemessen an Zahnschnitten im Wellenlängenbereich zwischen 400-780 nm. Die fünfzehn hier vorgestellten Originalarbeiten bilden im Überblick eine umfassende Analyse zweier vielversprechender innovativer lichtoptischer Methoden zur Detektion von okklusalen und approximalen Primärläsionen, nämlich der Nahinfrarot-Transillumination und Reflexion, und liefern Vergleichsmöglichkeiten zu den etablierten tagtäglich angewendeten Diagnostikmethoden, der visuellen Inspektion und der Bissflügelröntgenaufnahme. Sowohl die Nahinfrarot-Transillumination als auch die Nahinfrarot-Reflexion beruhen auf demselben physikalischen Prinzip. Bei beiden Methoden wird das Licht an den durch Karies vergrößerten Poren des Zahnhartgewebes gestreut. Der Unterschied zwischen den beiden Ansätzen liegt, in der Anordnung von Lichtquelle und Detektor. Bei der Transillumination sind die Lichtquellen so gegenüberliegend am Zahn angeordnet, dass eine möglichst homogene Illumination erzeugt wird. Der Sensor ist okklusal montiert, um den transilluminierten Zahn mit möglichst wenig direkten Lichteinfall aufnehmen zu können. Bei der Reflexion dagegen sind die Lichtquelle und der Detektor nebeneinander angeordnet, sodass das reflektierte Licht vom Sensor registriert werden kann. Die Nahinfrarot-Transillumination zeigte eine hohe diagnostische Genauigkeit, die besonders in der Früherkennung von Approximalkaries höhere Sensitivitäts- und Spezifitätswerte aufwies als die Bissflügelröntgentechnologie. Die diagnostische Inter- und Intra-Untersucher-Reliabilität zeigte mit der Bissflügelröntgentechnik vergleichbar gute Werte. Hinsichtlich der diagnostischen Genauigkeit zur Detektion okklusaler Läsionen zeigte die Nahinfrarot-Transillumination schlechtere Genauigkeitswerte gegenüber der visuellen Inspektion und Bissflügelröntgentechnologie. In der Okklusalkariesdiagnostik zeigte sich die Stärke dieser Methode in der Detektion okklusal versteckter Dentinläsionen. Unter Miteinbeziehung aller Läsionen erwies sich dagegen die visuelle Inspektion gegenüber allen anderen Methoden als überlegen. Die Bildqualität der Transilluminationsaufnahmen konnte mit High-Definition-Range-Imaging-Technik verbessert werden, ohne dass statistisch signifikante Unterschiede zu den konventionell aufgenommenen Befunden kalkuliert werden konnten. Die Nahinfrarot-Reflexion wurde ausschließlich im Rahmen von In-vitro-Studien untersucht und validiert. Es wurden unterschiedliche diagnostische Systeme betrachtet, die die Reflexion bei 780 oder 850 nm an permanenten Seitenzähnen zur Detektion von Approximalkaries verwendeten. Hierbei handelte es sich sowohl um kommerziell erhältliche Systeme als auch um selbstentwickelte Prototypen. Zusammenfassend wies die Reflexion im niedrigen Nahinfrarotspektrum einige Probleme hinsichtlich der Bildqualität auf. Viele vorwiegend initiale Läsionen konnten aufgrund von Reflexionsartefakten nicht visualisiert werden. Auch eine eindeutige Abgrenzung von Schmelz- und Dentingewebe war in vielen Fällen nicht möglich, sodass eine differenzierte Diagnose der Läsionen nicht gestellt werden konnte. Eine zuverlässige Erkennung von Approximalkaries war also anhand der hier untersuchten Systeme zur Reflexion nicht möglich und konnte nicht für den klinischen Gebrauch empfohlen werden. Ein vielversprechender Ansatz stellte die Kombination einer Scanner-Funktion mit der Erfassung dreidimensionaler Daten der Zahnreihen und der lichtoptischen Diagnostikfunktion dar. Diese Technik nahm den Zahn von mehreren Blickwinkeln auf und bot hiermit eine weitere Möglichkeit die Limitationen lichtoptischer Diagnostiksysteme zu reduzieren. Allerdings zeigte die Möglichkeit zur dreidimensionalen Beurteilung von Approximalflächen keinen signifikanten Benefit zur diagnostischen Gesamtgenauigkeit der Methoden im Vergleich zur eindimensionalen Beurteilung. Beide neuartigen lichtoptischen Prinzipien, die Transillumination und die Reflexion, blieben durch einen entscheidenden Nachteil der Bissflügelröntgenaufnahme unterlegen: Sie ermöglichten nicht die Beurteilung kariöser Läsionen hinsichtlich ihrer Tiefe und ihrer Relation zur Pulpa. Dies bedeutet für den praktisch arbeitenden Zahnarzt häufig einen Informationsmangel und macht in vielen Fällen die Anfertigung von Bissflügelaufnahmen notwendig. Im Laufe der letzten beiden Jahrzehnte vollzog sich kontinuierlicher Wechsel digitaler Röntgensensoren in der Zahnmedizin von CCD (charged coupled device)- zu CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor)- Sensoren. Es wurde kein signifikanter Unterschied in der diagnostischen Leistung zur Erkennung von Approximalkaries zwischen den Sensortechnologien und verschiedenen Belichtungszeiten festgestellt. Das CMOS-basierte System zeigte bei längeren Belichtungszeiten subjektiv kontrastreichere Bilder, allerdings auf Kosten einer höheren Strahlendosis. Es bestätigte sich außerdem die bereits bekannte Tatsache, dass digitale Bissflügelröntgenaufnahmen nicht für eine zuverlässige Erkennung von approximaler Initialkaries geeignet sind. Anhand von Transmissionsmessungen und goniometrischen Untersuchungen an Zahnschnitten konnte gezeigt werden, dass mit monochromatischem Licht zwischen 405 und 780 nm ein messbarer Unterschied zwischen den einzelnen Abschnitten einer Dentinkaries messbar wurde. Dieser Kontrast wurde mit steigender Wellenlänge des Lichtes deutlicher. Eine Berechnung des Abschwächungskoeffizienten analog zum Lambertbeer`schen Gesetz, wie sie in vielen anderen Studien zuvor angewendet wurde, erwies sich als unzulässig, weil sich dieser Wert in Abhängigkeit der Schichtstärke der Proben variabel zeigte. Des Weiteren konnte ein messbarer signifikanter Unterschied zwischen gesundem Dentin in der Nähe kariöser Läsionen und vollständig kariesfreiem Dentin gemessen werden. Diese Ergebnisse deuteten nicht nur auf das Vorhandensein von Tertiärdentin hin, sondern wiesen auch auf die Möglichkeit hin die Tiefe kariöser Läsionen im Dentin genauer definieren -messen- zu können. Die Ergebnisse dieser Habilitationsarbeit zeigen, dass das diagnostische Potential der Nahinfrarot-Transillumination und -Reflexion in niedrigeren Nahinfrarotspektrum (780- 850 nm) noch nicht ausgeschöpft ist. Anhand verschiedener technischer Optimierungsansätzen könnten Reliabilität und diagnostische Genauigkeit gesteigert werden und sogar eine genauere Bestimmung des Schweregrades kariöser Läsionen könnte bei der Entwicklung zukünftiger Systeme umgesetzt werden. Die Anwendung von Wellenlängen zwischen 1.000 und 1.600 nm könnte das diagnostische Potential von Reflexion und Transillumination weiter steigern. Technischer Fortschritt entsprechender Sensoren und deren Anwendung und Weiterentwicklung in neuen Diagnostiksystemen basierend auf den lichtoptischen Eigenschaften von Zähnen sollten im Fokus zukünftiger Projekte liegen.
Diagnostik, Transillumination, Reflexion, Nah-Infrarotlicht, Schmelz, Dentin, Karies
Litzenburger, Friederike
2022
German
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Litzenburger, Friederike (2022): Lichtoptische Methoden zur Diagnostik von Schmelz- und Dentinkaries. Habilitationsschrift, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Die Beurteilung neuartiger Kariesdiagnostiksysteme hinsichtlich ihrer Reliabilität und Genauigkeit anhand von Daten, die in klinischen Studien und in In-vitro-Analysen gewonnen werden, ist von großer Bedeutung, um sie für moderne nicht-invasive oder minimal-invasive Behandlungskonzepte nutzen zu können. In dieser Habilitationsschrift berichten sieben Originalarbeiten von In-vitro-Studien, in denen etablierte und innovative Diagnostikmethoden mittels mikrocomputertomographischer Untersuchung validiert worden sind. Weitere sechs Originalarbeiten basieren auf Daten, die In-vivo-Studien entstammen. Der Schwerpunkt wurde auf spezielle Anwendungsformen der Transillumination und der Reflexion gelegt. Zwei weitere Originalarbeiten beschreiben Untersuchungen zu lichtoptischen Eigenschaften von gesundem und kariösem Schmelz und Dentin gemessen an Zahnschnitten im Wellenlängenbereich zwischen 400-780 nm. Die fünfzehn hier vorgestellten Originalarbeiten bilden im Überblick eine umfassende Analyse zweier vielversprechender innovativer lichtoptischer Methoden zur Detektion von okklusalen und approximalen Primärläsionen, nämlich der Nahinfrarot-Transillumination und Reflexion, und liefern Vergleichsmöglichkeiten zu den etablierten tagtäglich angewendeten Diagnostikmethoden, der visuellen Inspektion und der Bissflügelröntgenaufnahme. Sowohl die Nahinfrarot-Transillumination als auch die Nahinfrarot-Reflexion beruhen auf demselben physikalischen Prinzip. Bei beiden Methoden wird das Licht an den durch Karies vergrößerten Poren des Zahnhartgewebes gestreut. Der Unterschied zwischen den beiden Ansätzen liegt, in der Anordnung von Lichtquelle und Detektor. Bei der Transillumination sind die Lichtquellen so gegenüberliegend am Zahn angeordnet, dass eine möglichst homogene Illumination erzeugt wird. Der Sensor ist okklusal montiert, um den transilluminierten Zahn mit möglichst wenig direkten Lichteinfall aufnehmen zu können. Bei der Reflexion dagegen sind die Lichtquelle und der Detektor nebeneinander angeordnet, sodass das reflektierte Licht vom Sensor registriert werden kann. Die Nahinfrarot-Transillumination zeigte eine hohe diagnostische Genauigkeit, die besonders in der Früherkennung von Approximalkaries höhere Sensitivitäts- und Spezifitätswerte aufwies als die Bissflügelröntgentechnologie. Die diagnostische Inter- und Intra-Untersucher-Reliabilität zeigte mit der Bissflügelröntgentechnik vergleichbar gute Werte. Hinsichtlich der diagnostischen Genauigkeit zur Detektion okklusaler Läsionen zeigte die Nahinfrarot-Transillumination schlechtere Genauigkeitswerte gegenüber der visuellen Inspektion und Bissflügelröntgentechnologie. In der Okklusalkariesdiagnostik zeigte sich die Stärke dieser Methode in der Detektion okklusal versteckter Dentinläsionen. Unter Miteinbeziehung aller Läsionen erwies sich dagegen die visuelle Inspektion gegenüber allen anderen Methoden als überlegen. Die Bildqualität der Transilluminationsaufnahmen konnte mit High-Definition-Range-Imaging-Technik verbessert werden, ohne dass statistisch signifikante Unterschiede zu den konventionell aufgenommenen Befunden kalkuliert werden konnten. Die Nahinfrarot-Reflexion wurde ausschließlich im Rahmen von In-vitro-Studien untersucht und validiert. Es wurden unterschiedliche diagnostische Systeme betrachtet, die die Reflexion bei 780 oder 850 nm an permanenten Seitenzähnen zur Detektion von Approximalkaries verwendeten. Hierbei handelte es sich sowohl um kommerziell erhältliche Systeme als auch um selbstentwickelte Prototypen. Zusammenfassend wies die Reflexion im niedrigen Nahinfrarotspektrum einige Probleme hinsichtlich der Bildqualität auf. Viele vorwiegend initiale Läsionen konnten aufgrund von Reflexionsartefakten nicht visualisiert werden. Auch eine eindeutige Abgrenzung von Schmelz- und Dentingewebe war in vielen Fällen nicht möglich, sodass eine differenzierte Diagnose der Läsionen nicht gestellt werden konnte. Eine zuverlässige Erkennung von Approximalkaries war also anhand der hier untersuchten Systeme zur Reflexion nicht möglich und konnte nicht für den klinischen Gebrauch empfohlen werden. Ein vielversprechender Ansatz stellte die Kombination einer Scanner-Funktion mit der Erfassung dreidimensionaler Daten der Zahnreihen und der lichtoptischen Diagnostikfunktion dar. Diese Technik nahm den Zahn von mehreren Blickwinkeln auf und bot hiermit eine weitere Möglichkeit die Limitationen lichtoptischer Diagnostiksysteme zu reduzieren. Allerdings zeigte die Möglichkeit zur dreidimensionalen Beurteilung von Approximalflächen keinen signifikanten Benefit zur diagnostischen Gesamtgenauigkeit der Methoden im Vergleich zur eindimensionalen Beurteilung. Beide neuartigen lichtoptischen Prinzipien, die Transillumination und die Reflexion, blieben durch einen entscheidenden Nachteil der Bissflügelröntgenaufnahme unterlegen: Sie ermöglichten nicht die Beurteilung kariöser Läsionen hinsichtlich ihrer Tiefe und ihrer Relation zur Pulpa. Dies bedeutet für den praktisch arbeitenden Zahnarzt häufig einen Informationsmangel und macht in vielen Fällen die Anfertigung von Bissflügelaufnahmen notwendig. Im Laufe der letzten beiden Jahrzehnte vollzog sich kontinuierlicher Wechsel digitaler Röntgensensoren in der Zahnmedizin von CCD (charged coupled device)- zu CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor)- Sensoren. Es wurde kein signifikanter Unterschied in der diagnostischen Leistung zur Erkennung von Approximalkaries zwischen den Sensortechnologien und verschiedenen Belichtungszeiten festgestellt. Das CMOS-basierte System zeigte bei längeren Belichtungszeiten subjektiv kontrastreichere Bilder, allerdings auf Kosten einer höheren Strahlendosis. Es bestätigte sich außerdem die bereits bekannte Tatsache, dass digitale Bissflügelröntgenaufnahmen nicht für eine zuverlässige Erkennung von approximaler Initialkaries geeignet sind. Anhand von Transmissionsmessungen und goniometrischen Untersuchungen an Zahnschnitten konnte gezeigt werden, dass mit monochromatischem Licht zwischen 405 und 780 nm ein messbarer Unterschied zwischen den einzelnen Abschnitten einer Dentinkaries messbar wurde. Dieser Kontrast wurde mit steigender Wellenlänge des Lichtes deutlicher. Eine Berechnung des Abschwächungskoeffizienten analog zum Lambertbeer`schen Gesetz, wie sie in vielen anderen Studien zuvor angewendet wurde, erwies sich als unzulässig, weil sich dieser Wert in Abhängigkeit der Schichtstärke der Proben variabel zeigte. Des Weiteren konnte ein messbarer signifikanter Unterschied zwischen gesundem Dentin in der Nähe kariöser Läsionen und vollständig kariesfreiem Dentin gemessen werden. Diese Ergebnisse deuteten nicht nur auf das Vorhandensein von Tertiärdentin hin, sondern wiesen auch auf die Möglichkeit hin die Tiefe kariöser Läsionen im Dentin genauer definieren -messen- zu können. Die Ergebnisse dieser Habilitationsarbeit zeigen, dass das diagnostische Potential der Nahinfrarot-Transillumination und -Reflexion in niedrigeren Nahinfrarotspektrum (780- 850 nm) noch nicht ausgeschöpft ist. Anhand verschiedener technischer Optimierungsansätzen könnten Reliabilität und diagnostische Genauigkeit gesteigert werden und sogar eine genauere Bestimmung des Schweregrades kariöser Läsionen könnte bei der Entwicklung zukünftiger Systeme umgesetzt werden. Die Anwendung von Wellenlängen zwischen 1.000 und 1.600 nm könnte das diagnostische Potential von Reflexion und Transillumination weiter steigern. Technischer Fortschritt entsprechender Sensoren und deren Anwendung und Weiterentwicklung in neuen Diagnostiksystemen basierend auf den lichtoptischen Eigenschaften von Zähnen sollten im Fokus zukünftiger Projekte liegen.