Les propriétés optiques des lésions carieuses

Les méthodes optiques de détections de caries sont basées sur l’observation de l’interaction de l’énergie appliquée à la dent ou sur l’observation de l’énergie émise par la dent (Hall et al., 2004). Cette énergie prend la forme d’une onde appartenant au spectre électromagnétique (Figure 41). Les longueurs d’ondes principalement utilisées sont celles appartenant à la lumière visible (400 nm à 700 nm), ainsi que celles de la lumière proche infrarouge (700 à 1500 nm).

Figure 41: Spectre électromagnétique

Dans sa forme la plus simple, la carie peut être décrite comme un processus résultant d’une modification structurale du tissu dentaire. La diffusion des ions calcium, phosphate et carbonate résulte de la perte du contenu minéral de la dent. La zone déminéralisée est principalement comblée par des bactéries et de l’eau. La porosité de cette zone est alors plus importante que les structures environnantes (Karlsson et al., 2010).

carieux entraîne des changements optiques distincts pouvant être mesurés et quantifiés avec les méthodes de détection basées sur la lumière et son interaction avec la dent.

La lumière se définit comme une onde électromagnétique. Celle-ci interagit de plusieurs manières avec la structure dentaire. Les ondes peuvent rebondir sur la surface dentaire ; le rayon lumineux est alors réfléchi. L’onde peut aussi pénétrer la surface dentaire et changer de direction ; on parle alors de dispersion. Les photons peuvent alors ressortir par la face où ils sont entrés ou ressortir par une autre face. L’onde peut entièrement traverser la dent sans modification de son trajet ; la lumière est alors transmise. La lumière peut être absorbée et entrainer une production de chaleur. Enfin, l’onde incidente peut être absorbée puis réémise sous forme de fluorescence (Hall et al., 2004). La figure 42 présente ces interactions entre la lumière et le tissu dentaire.

L’une des principales interactions utilisées par les dispositifs de détection est la dispersion. La dispersion est le processus où le photon change de direction sans perdre d’énergie. La lumière incidente voit son trajet dévié quand elle interagit avec des petites particules ou des objets présents dans le milieu où elle passe. La dispersion fait partie des propriétés du milieu. Un verre de lait apparaît blanc car la lumière incidente est dispersée dans toutes les directions, quittant ainsi le lait sans aucune absorption (Zijp, 2001). La neige apparaît aussi blanche car la lumière incidente est dispersée dans toutes les directions par les cristaux de glace. Ainsi, toutes les couleurs du spectre visible quittent la neige sans subir d’absorption. La dispersion est très sensible aux longueurs d’onde. Une longueur d’onde courte se disperse beaucoup plus qu’une longueur d’onde longue (Hall et al., 2004). C’est pourquoi, les méthodes de détection de caries utilisant des longueurs d’onde appartenant à la région visible du spectre électromagnétique (400 nm à 700 nm) sont vite limitées par le phénomène de dispersion. Une lésion amélaire apparaît plus blanche que l’émail sain environnant car la lumière est beaucoup plus dispersée au niveau de la lésion (Angmar et al., 1993). De ce fait, les dispositifs mesurant la sévérité des lésions sont basés sur la différence de dispersion entre un émail sain et un émail carié.

L’autre interaction entre le tissu et la lumière utilisée par les dispositifs de détection de carie est l’absorption avec émission de fluorescence. L’absorption est le processus dans lequel les photons sont stoppés par un objet puis l’onde énergétique est récupérée par cet objet. L’énergie perdue est en partie convertie en chaleur ou en une autre onde de moindre énergie. L’absorption dépend aussi des propriétés du milieu. L’analogie précédente du verre de lait peut être étendue à une tasse de thé (Hall et al., 2004). En effet, le thé apparaît transparent car il ne disperse pas la lumière, mais il apparaît brun car une partie de la lumière est absorbée par celui-ci. Aussi, la boue et la pollution sur de la neige lui donnent une teinte noire car certaines longueurs d’onde sont absorbées par ces zones polluées. L’absorption de la lumière par un tissu est hautement dépendante de la longueur d’onde. L’eau est un exemple d’absorbant puissant de lumière infrarouge. Après son absorption, l’énergie peut être relâchée sous forme d’émission lumineuse à travers un processus de fluorescence.

La fluorescence est la résultante de l’interaction entre la longueur d’onde illuminant un objet et les molécules de cet objet. L’énergie est absorbée par les molécules avec un passage à un état électronique excité où les électrons vont rester pendant une période très courte. A

sous forme d’onde lumineuse de fluorescence (Karlsson et al., 2010). Ce retour à l’état fondamental se fait extrêmement rapidement.

Au tout premier stade de la carie, une destruction des cristaux entraîne une augmentation de la taille des pores de l'émail. Ce stade est réversible et peut être mesuré au moyen de méthodes de dispersion de la lumière mais à condition que les surfaces soient planes, exemptes de microreliefs. Il a été montré qu'une reminéralisation est possible entre une et deux semaines. Plusieurs types de lumière ont été utilisés pour améliorer la visibilité des microdéfauts de surface de l'émail quasiment invisibles à l'œil nu :

- la lumière blanche

- la lumière violette, obtenue à partir d’un filtrage de la précédente par un filtre passe bas (inférieur à 445 nm)

- la lumière ultra violette - la lumière laser cohérente

Dans les années 1988 à 1993 ces techniques ont été utilisées pour quantifier les lésions initiales (Angmar et al., 1987). Elles ont montré leurs limites de définition qui dépendent du contraste, de la brillance de l'image et de la taille de la zone photographiée. Elles dépendent également du nombre de niveaux de gris ou de couleurs que les écrans vidéo sont capables de reproduire et que l'œil est capable de différencier. La quantification de la porosité de l'émail et des variations de structure cristalline n'est pas possible. En particulier, il est difficile de faire un diagnostic différentiel entre une carie initiale (white spot) et une fluorose localisée dans une région fréquemment cariée (Demonet, 2001). Leurs études de dispersion de la lumière et d'analyse en niveau de gris ont mis en évidence la supériorité de la lumière laser cohérente.

Les tissus biologiques exposés à une lumière réagissent en l'absorbant, en la dispersant et en réfléchissant des photons. Selon leur composition, et selon la longueur d'onde de la lumière incidente, les photons réfléchis peuvent émettre une fluorescence. Celle-ci émane du tissu irradié. On parle d'auto-fluorescence (De Josselin De Jong et al., 1995). Cette fluorescence peut être mise à profit pour différencier un espace riche en éléments organiques comme la carie dentaire par rapport à la zone saine environnante, bien minéralisée et pauvre en matières organiques. L'émail et la dentine possèdent une faible auto-fluorescence dans le

spectre rouge de l'émission électromagnétique. Toutefois, la dentine cariée présente une forte augmentation d’auto-fluorescence (Sundström et al., 1985).

Cela pourrait faire penser à une auto-fluorescence due à la déminéralisation acide. Or, la dimension de la zone émettant une auto-fluorescence est plus grande que celle mesurée à l'aide d'un microscope confocal (Banerjee et al., 1998) ; bien que ces deux méthodes mesurent des surfaces à peu près équivalentes, leurs histogrammes ne se superposent pas. Il n'est donc pas évident que cette auto-fluorescence soit due à la déminéralisation. Au contraire, il semble bien qu'elle soit due à des chromophores de nature organique. Soit ces chromophores sont issus de la matrice de la dentine, soit ils sont exogènes (introduit pendant le processus carieux). Les produits de dégradation du métabolisme des bactéries (acide lactique et protéases) ne présentent pas d'auto-fluorescence et les variations de pH n'affectent pas l'auto-fluorescence. Il semble donc que cette augmentation soit due à des molécules exogènes. Un grand nombre de molécules sont possibles, en particulier dans la famille des acides aminés dont la protoporphyrine IX (Karlsson et al., 2010).

Certaines protéines plasmatiques comme par exemple l'albumine et l'α2 HS-glycoprotéine peuvent atteindre la lésion par le système circulatoire. On les retrouve à l'intérieur de la dentine cariée (Banerjee et al., 1998). Elles peuvent comporter des résidus qui sont excités comme par exemple le sérum albumine qui a une fluorescence sur son résidu tryptophane. Les bactéries peuvent pénétrer dans les tubulis dentinaires (Gonzales-Cabezas et

al., 1995), certaines ont un potentiel d'auto-fluorescence. La constatation in vitro d'une

réduction de l'auto-fluorescence lors du retrait à l'excavateur de la dentine cariée, pourrait faire penser à une relation entre la dureté du tissu et son auto-fluorescence. Or, ce n'est pas le cas ; Banerjee et al. (1999) ont montré qu'il n'y a pas de corrélation entre le contenu minéral et l'auto-fluorescence à l'intérieur de la carie et que l'absence d’auto-fluorescence au niveau de la zone translucide bordant la carie confirme que cette zone est bien la limite de la lésion.

L'auto-fluorescence est provoquée par le contenu de la matrice dégradée par les bactéries. La fluorescence varie également en fonction de l'état d'hydratation (Banerjee et

al.,1998). La carie dentaire consiste en un appauvrissement en éléments minéraux et un

enrichissement en matières organiques (bactéries, protéines plasmatiques ou salivaires) créant un important différentiel de fluorescence. Ainsi, la modification de la fluorescence peut être

Deux moyens de détection vont utiliser les émissions de fluorescence dans le diagnostic des caries proximales : le QLF et le laser à fluorescence.