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267 PAULI HI. ADMONITIO 268
A. K.S.Braz*, J.C.B Leão Filho**, T. R. Souza***, A. V. B. da Silva**** , R. Braz*****, A. S.L. Gomes****** e Renato E. de Araujo*
Laboratório de Óptica Biomédica e Imagem/Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Brasil* Pós-graduação em Odontologia/Pontifícia Universidade Católica do Paraná,Curitiba,Brasil**
Faculdade de Odontologia de Piracicaba/Unicamp, Piracicaba,Brasil***
Pós-graduação em Odontologia/Universidade Federal de Pernambuco,Recife, Brasil**** Pós-graduação em Odontologia/Universidade de Pernambuco, Camaragibe, Brasil*****
Departamento de Física/Universidade Federal de Pernambuco, Recife Brasil****** [email protected]
Abstract: This paper presents a review of the development of Optical Coherence Tomography (OCT), its principles and important aplications in Dentistry. Recent examples of OCT applications in many specific areas as Cariology, Restorative Dentistry, Dental Materials, Orthodontics, Prosthetic
Dentistry, Periodontology and Endodontics outline
the relevance of this advanced imaging modality in the dental field.
Introdução
Nos últimos séculos pudemos observar avanços em várias áreas da ciência, e uma delas foi a da Fotônica, que explora a luz na ciência e tecnologia. A grande revolução na odontologia restauradora também aconteceu com o advento de técnicas fotônicas. Com o advento de resinas estéticas fotopolimerizáveis associadas a sistemas adesivos foi possível a realização de preparos dentários menos invasivos, melhoria da estética e manipulação controlada do material, o que não era possível com o uso das resinas quimicamente ativadas [1,2]. Além da polimerização de materiais de restauração, também foram introduzidos lasers no clareamento dental [3] e, mais recentemente, técnicas de diagnóstico utilizando as propriedades da luz.
Os métodos de diagnósticos mais tradicionais e largamente utilizados na odontologia restauradora são o visual/tátil e o radiográfico. Porém estes métodos não possuem sensibilidade suficiente para detecção de cárie em estágio inicial, cárie secundária [4], avaliação de falhas em restaurações[5] ou visualização adequada do remanescente dentinário no complexo dentino-pulpar [6]. Além disso, na geração de imagem radiográfica o paciente fica exposto a radiações ionizantes e há dificuldade associada com a conversão da imagem do objeto de 3D para 2D [7].
Mais recentemente algumas técnicas ópticas de
imagem/diagnóstico vem sendo exploradas em odontologia. Em particular, a Tomografia por Coerência Óptica (Optical Coherence Tomography - OCT), um método de diagnóstico por imagem não invasivo e de alta resolução que vem encontrando diferentes aplicações na área médica.
O OCT tem sido prioritariamente utilizado em Oftalmologia [8], com vários sistemas disponíveis comercialmente. Sua aplicação também já foi demonstrada em outras especialidades da medicina como na dermatologia [9], endoscopia [10],cardiologia 11], ginecologia [12], neurologia [13], oncologia [14], otorrinolaringologia [15] e urologia [16]. Em Odontologia, as primeiras imagens dos tecidos moles e duros foram produzidas em 1998 por Colston e colaboradores [17,18,19]. Este artigo tem como objetivo apresentar diferentes aplicações da técnica de Tomografia por Coerência Óptica em Odontologia. Nossos resultados indicam potenciais áreas de aplicação da técnica com a implementação de novos procedimentos para diagnóstico.
Materiais e Métodos
Tomografia por coerência óptica
Tomografia por coerência óptica (OCT – Optical Coherence Tomography) é uma nova modalidade de diagnóstico por imagem que foi apresenta pela primeira vez em 1991 por Huang e colaboradores [20]. Ela produz imagens das estruturas internas de materiais e sistemas baseando-se na detecção da luz refletida e retroespalhada no meio em estudo. A técnica permite a obtenção de imagens em tempo real, com resolução entre 1-15µm, bidimensionais, tri-dimensionais e em movimento [21]. Sua resolução espacial longitudinal obtida é determinada pela largura de banda espectral da fonte de luz e a profundidade de penetração na amostra é função dos coeficientes de espalhamento e absorção
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do meio [22]. O método baseia-se no processo
interferométrico entre feixes de luz de baixa coerência. Um tomógrafo por coerência óptica consiste basicamente de um interferômetro de Michelson associado a uma fonte de luz (diodos superluminescentes). Neste interferômetro, a fonte de luz gera um feixe que é separado em dois raios por um divisor de feixes. No final de cada braço do interferômetro cada feixe é refletido e os raios voltam a se recombinar na saída do interferômetro. Após passagem e recombinação no divisor de feixes, o feixe incide no detector/sensor, sendo então amplificado, filtrado, processado e convertido de sinal analógico (gráfico) para um sinal digital, neste caso, uma imagem [22].
Existem dois domínios para implementação da técnica de OCT: O domínio temporal (OCT-DT) e o domínio de Fourier (OCT-DF). O domínio temporal é a modalidade clássica, e é denominada assim devido à coincidência temporal entre a luz vinda do braço de referência e a luz vinda da região sondada. As principais desvantagem do OCT-DT são a sensibilidade limitada e a necessidade de movimento mecânico para se obter informação do interior da amostra. A OCT-DF adquire os dados do sinal a partir da informação do espectro da luz retroespalhada. O método OCT-DF dá acesso direto ao espectro do sinal óptico [23], melhorando sua sensibilidade. A obtenção da imagem em alta velocidade permitiu uma ampliação nas formas de utilização do OCT, como obtenção de OCT em altíssima velocidade [24,25], OCT Tridimensional [26,27] e OCT Doppler [28,29].
Neste trabalho foi utilizado um OCT comercial do tipo espectral (Ganymede OCT/ Thorlabs) cujo comprimento de onda está centralizado em 930nm, com largura spectral de 100nm e resolução axial de 5µm. Com uma taxa de a-scan de 29kHz, este sistema produz 29 frames por segundo com 512 linhas por frame. Nesta velocidade é possível produzir imagens bi e tri- dimensionais. (Figura 1)
Figure 1. Tomógrafo por Coerência Óptica comercial do tipo espectral (Ganymede OCT/Thorlabs). DSL: Diodo superluminescente.
Obtenção das Amostras
Para realização do trabalho e confecção de amostras foram utilizados dentes e materiais dentários utilizados na rotina da clínica odontológica. Os dentes utilizados foram incisivos, pré-molares e molares permanentes humanos, obtidos no Banco de Dentes da Universidade Federal de Pernambuco e da Pontifícia Universidade Católica do Paraná. Os materiais dentários utilizados foram resinas compostas, sistemas adesivos, selantes de fóssulas e fissuras, cimentos e cerâmicas obtidos comercialmente.
Resultados e Discussão
Aqui são apresentados os resultados obtidos com a técnica de OCT na avaliação dentária, abordando diferentes aspectos fundamentais para o diagnóstico e avaliação de procedimento de tratamento adotados em diferentes áreas da odontologia
Caracterização Anatômica
A Anatomia Dental dedica-se ao estudo da estrutura dental humana, seu desenvolvimento e morfologia. Na odontologia, as primeiras imagens dos tecidos moles e duros utilizando OCT foram produzidas em 1998 por Colston e colaboradores [17]. Os trabalhos iniciais mostraram o potencial para realização de imagens dos tecidos moles e duros da cavidade oral, bem como visualização das interfaces esmalte/cemento e dente/gengiva. A figura 2 mostra um esquema da estrutura anatômica do dente para melhor entendimento.
Figura 2: Esquema básico da Anatomia Dental. Com o avanço nos sistemas de OCT e dos nanomateriais, nosso grupo desenvolveu uma redução fototérmica in situ, produzindo nanopartículas esféricas dentro dos túbulos dentinários, servindo como agente de contraste para visualização desta região. As imagens em OCT foram produzidas de modo bi e tridimensional e permitiram determinar a extensão e distribuição de penetração das nanopartículas dentro dos túbulos
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preenchidos por sistemas adesivo [30].(Figura 3 e 4)
.
Figura 3: Reconstrução tridimensional das camadas adesivas em dentina enriquecidas com nanopartículas de ouro. AL: Camada Adesiva (situada na superfície da dentina); HL: Camada Híbrida (camada formada pela interdifusão do sistema adesivo dentro e ao redor dos túbulos); Setas: apontam os Tags de resina (difusão de sistema adesivo somente no interior dos túbulos dentinários) .
Figura 4: Setas apontam imagens bidimensionais de túbulos preenchidos por nanopartículas.
Cariologia
É a ciência dentro da Odontologia que estuda a prevenção e etiologia da cárie relacionando-a à saliva, biofilme dentário, fluoretos, dieta/nutrição, etc. Pode-se dizer que esta é a área da Odontologia que tem sido mais explorada em relação à utilização da Tomografia por Coerência Óptica. A maioria dos trabalhos avaliando cárie dentária utilizam OCT com luz polarizada pois esmalte e dentina apresentam um forte efeito em relação à polarização da luz retro-espalhada [31] . Sendo assim, é possível fazer o diagnóstico da cárie em seus estágios iniciais [32], bem como avaliação do grau de remineralização/desmineralização em esmalte, dentina coronária e dentina radicular. A figura 5 mostra imagens em OCT de imagens de áreas desmineralizadas em esmalte, confirmadas pela imagem em microscópio óptico de corte dentário da região correspondente.
Figura 5 : Imagens comparativas de Microscopia Óptica (esquerda) e a imagem correspondente em OCT (direita) de região desmineralizada (seta) em esmalte oclusal.
Materiais Dentários
É o ramo da Odontologia que envolve o estudo da composição e das propriedades mecânicas, físicas, químicas e biológicas dos materiais de uso odontológico. Nesta área, os poucos trabalhos com OCT exploram a avaliação de propriedades mecânicas e ópticas [30,33,34]. Nossos resultados mostram que por meio do OCT é possível diferenciar corpos de provas íntegros dos que apresentam falhas internas não visualizadas a olho nu, tornando possível selecionar apenas amostras adequadas ao teste mecânico. A figura 6 apresenta imagens de corpos de prova preparados para ensaio de microtração.
Figura 6: Nas figuras a e b as setas apontam regiões de falha na resina composta do corpo de prova. A figura c mostra corpo de prova com integridade estrutural. R:resina; D: dentina.
Nossos trabalhos também exploram propriedades de nanomateriais como as nanopartículas de ouro. Além da função de agente de contraste para caracterizações anatômicas e estruturais citadas previamente (Figura 3 e 4), as nanopartículas de ouro podem ser funcionalizadas fornecendo regiões com função especializada em sua superfície. O colágeno é um dos principais componentes da dentina mas sofre degradação ao longo do tempo diminuindo a estabilidade de restaurações adesivas. Por meio da funcionalização de Nanopartículas de Ouro nos materiais agentes de união é possível promover ligação cruzada com o colágeno da dentina aumentando a estabilidade desta união adesiva [30].
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Prótese
Área que trata basicamente da reposição de partes ausentes na cavidade oral. Por meio dos nossos resultados observamos que o OCT pode ser uma técnica alternativa/complementar na avaliação da adaptação marginal de coroas protéticas e na avaliação de preparos protéticos. A figura 7 mostra imagens bi e tridimensionais do término cervical e da adaptação marginal entre coping e preparo protéticos. Além da visulaização destas estruturas a tomografia por coerência óptica permite ainda visualizar e mensurar a linha de cimentação bem como visualizar falhas em seu interior.
Figura 7: Construções bi e tridimensionais de dentes com preparos protéticos. Seta aponta a adptação marginal entre o coping e o término cervical. C:coping; P: preparo protético; E: Término cervical em esmalte; R: raiz; D: dentina radicular; asteriscos : cemento radicular.
Ortodontia
Trata da correção da posição dos dentes e ossos. Nossos resultados mostram a possibilidade da utilização do OCT para avaliação da integridade do esmalte antes e após processo de colagem e descolagem dos brackets ortodôticos; e avaliação da remoção da resina remanescente (Figura 8).
Figura 8: Caracterização de descolagem de brackets pelo Miscroscópio Óptico (a) e OCT 3D (b e c). Figuras a e b mostram que ocorreu uma separação total entre a interface bracket-adesivo, enquanto que a figura c mostra uma separação parcial. R: Remanescente em resina após descolagem; E: Esmalte.
Dentística Restauradora
É o ramo da Odontologia que trata de cosmética e restauração dental. É uma área bastante explorada cujos trabalhos descrevem avaliações de restaurações dentárias[5], avaliação da aplicação de selantes[35], análise do complexo-dentino pulpar[6], avaliação de clareamento dental, etc.Em nossos trabalhos pudemos observar que a Tomografia por Coerência Óptica mostrou-se uma técnica viável para avaliar a adaptação e infiltração marginal de materiais restauradores e pode ser explorada a utilização de nanopartículas metálicas como agente de contraste em sistemas adesivos e resinas compostas melhorando a imagem obtida.
Além destas áreas relatadas, já foram demonstradas também aplicações da Tomografia por Coerência Óptica em outras áreas da Odontologia como na Periodontia (estuda e trata as doenças do sistema de implantação e suporte dos dentes – osso alveolar, ligamento periodontal e cemento), endodontia (responsável pelo estudo da polpa dentária, dos sistemas de canais radiculares e dos tecidos periapicais), prótese (trata da reposição de partes ausentes na cavidade oral), implantodontia e patologia oral.
Conclusão
O uso de técnicas de imagem é essencial para o desenvolvimento de procedimentos de diagnóstico e avaliação de tratamento dentário. Em particular a técnica de Tomografia por Coerência Óptica apresenta- se como um metodo não-invasiva e segura para odontologia. Neste trabalho foram apresentados resultados inéditos do uso da técnica, indicando novas perspectivas em diferentes áreas da odontologia, mais especificamente foi abordado o uso do OCT em na caracterização anatômica de estruturas dentarias, em cariologia, na avaliação de Materiais Dentários, em Dentística Restauradora. Apesar do crescente uso de OCt em Odontologia mais estudos ainda são necessários para validar estaticamente a técnica e avaliar os benefícios clínicos reais do OCT.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao INCT de Fotônica e ao PRONEX - FACEPE/CNPq). Ana Karla Braz tem apoio dos programas PNPD da CAPES e DCR/PNPD da FACEPE.
Referências
[1] Iorio, P.A.C. (1972) “Conceitos modernos sobre os prepa- ros dos dentes” Revista de Farmácia e Odontologia, n.39, p. 41-60.
[2] Iorio, P.A.C. (1999), Dentística Clínica adesiva e estética, São Paulo: Ed Santos.
[3] Feinman, R.A. (1984) “Bleaching Vital Teeth” Current
XXIII Congresso Brasileiro em Engenharia Biomédica – XXIII CBEB
39 [4] Fried, D., Featherstone, J.D., Darling, et al. (2005) “Early
caries Imaging and monitoring with near-infrared light”
The dental clinics of North America, v. 49, p.771-793.
[5] Melo, L. S. A., Gomes, A.S.L., Freitas, A.Z., et al. (2005) “Evaluation of enamel dental restoration interface by opti- cal coherence tomography” Journal of Biomedical Optics, v.10, n.6, p064027-1 – 064027-5.
[6] Braz, A.K.S., Kyotoku, B.B.C., Gomes, A. S. L. (2009) “In Vitro Tomographic Image of Human Pulp-Dentin Complex: Optical Coherence Tomography and Histology” Journal of
Endodontics, v. 35, p. 1218-1221.
[7] König, K., Flemming, G., Hibst, R. (1998) “Laser-induced autofluorescence spectroscopy of dental caries” Cellular
and Molecular Biology, v. 44, p. 1293-1300.
[8] Hee, M.R., Puliafito, C.A., Wong, C., et al. (1995) “Quanti- tative assessment of macular edema with optical coherence microscopy” Archives of Ophthalmology, v.113, p.1019- 1029.
[9] Schmitt, J.M., Yadlowsky, M.J., Bonner, R.F. (1995) “Sub- surface imaging of living sking with optical coherence mi- croscopy” Dermatology, v.191, p93-98.
[10]Tearney, G.J., Boppart, A.S., Bouma B.E., et al. (1996) “Scanning single-mode fiber optic catheter endoscope for optical coherence tomography” Optics Letter, v.21, p.543- 545.
[11] Raffael, O.C., Akasaka, T., Jang, I.K. (2008) “Cardiac Op- tical Coherence Tomography” Heart, v.94, p.1200-1210.
[12]Gamelin, J. et al. (2009) “A prototype hybrid intraoperative probe for ovarian câncer detection” Optics Express, v.17, p.7245-7258.
[13]Zhou,X., Sun. J., Yuan, H., et al. (2009) “A rat model for studying neural stem cell transplantation” Acta
Pharmacologica Sinica, v.30, P.1496–1504.
[14]Mette,M., Lars, T., Jørgensen,T.M., et al. (2009) “OCT imaging of sking cancer and other dermatological diseases” Journal of Biophotonics, v.2, p.442-451.
[15]Willianson, J.P. et al. (2010) “Measuring airway dimensions during bronchoscopy using anatomical optical coherence tomography” European Respiratory Journal, v.35, p.34-41.
[16]Davis,C., Kuang,W. (2009) “Optical coherence tomogra- phy: a novel modality for scrotal imaging” Canadian Uro-
logical Association Journal, v.4, n. 4 p.319-322.
[17]Colston, B., Everett, M., Da Silva, L., et al. (1998) “Imag- ing of hard and soft tissue structure in the oral cavity by optical coherence tomography” Applied Optics, v.37, n.19, p.3582-3585.
[18]Colston, B.W., Everett , M., Da Silva, L., et al. (1998) “Op- tical Coherence Tomography for diagnosis of periodontal diseases” In: Coherence domain optical methods in bio-
medical science and clinical applications II: The Interna- tional Society for Optical Engineering, San Jose, p.130- 136.
[19]Colston, B.W., Sathyam, U.S., Da Silva, L.B., et al. (1998) “Dental OCT” Optics Express, v.3, n.3, p.230-238.
[20]Huang, D., Swanson, E.A., Lin, C.P., et al. (1991) “Optical Coherence Tomography” Science, v.254, p. 1178-1181.
[21]Fercher, A.F. (2010) “Optical Coherence tomography – de- velopments, principles, applications” Zeitschrift fur
Medizinische Physik, v.20, p.251-276.
[22]Kyotoku, B.B.C. (2006) Desenvolvimento de um Sistema
de Imageamento Usando a Tomografia por Coerência Óp- tica no Domínio Temporal e de Fourier, Dissertação de Mestrado, Departamento de Física, UFPE, Recife, 71p.
[23]Fercher, A.F.; Hitzenberger, C.K..; Drexler, W.; et al. (1993) “In vivo Optical Coherence Tomography” In: Müller G,
Chance B, Alfano R, Arridge S, Beuthan J, Gratton E, Kaschke M, Masters b, Svanberg S, Van Der Zee P. Medi- cal Optical Tomography, Bellingham, p.355-70.
[24]Wojtkowski, M., Srinivasan, V.J., Ko, T.H., et al. (2004) “Ultrahigh-resolution, high-speed, Fourier domain optical coherence tomography and methods for dispersion com- pensation” Optics Express, p.2404-2422.
[25]Cense, B., Nassif, N.A., Chen, T.C., et al. (2004) “Ultra- high-resolution high-speed retinal imaging using spectral- domain optical coherence tomography” Optics Express, v.12, p2435-47.
[26]Srinivasan, V.J., Adler, D.C., Chen, Y., et al. (????) “Ultra- high-speed Optical Coherence Tomography for Three- Dimensional and En face Imaging of the Retina and Optic Nerve Head” Investigative Ophthalmology and Visual Sci-
ence, v.49, p.5103-51.
[27]Yun, S.H.; Tearney, G.J.; Vakoc, B.J.; et al. (2006) “Com- prehensive volumetric optical microscopy in vivo” Nature
Medicine, v.12, p.1429-1433.
[28]Leitgeb, R.A., Schmetterer, L., Drexler, W., et al. (2003) “Real-tie assessment of retinal blood flow with ultra-fast acquisition by color Doppler Fourier domain optical coher- ence tomography” Optics Express, v.11, p.3116-3121.
[29]Leitgeb, R.A., Schmetterer, L., Hitzenberger, C.K., et al. (2004) “Real time measurement of in vitro flow by Fouri- er-domain color Doppler optical Coherence Tomography”
Optics Letter, v.29, p.171-173.
[30]Braz,A.K.S., et al. (2012) “In situ Gold Nanoparticles for- mation: Contrast Agent for Dental Optical Coherence To- mography” Journal of Biomedical Optics, 17, 066003 .
[31]Chen, y., Otis, L.; Piao, D.; Zhu, Q. (2005) "Characteriza- tion of dentin, enamel, and carious lesions by a polariza- tion-sensitive optical coherence tomography system," Ap-
plied Optics, n.44, p. 2041-2048.
[32]Choo-Smith,L., Dong, C.C.S., Cleghorn, B. et al. (2008) “Shedding New Light on early Caries Detection” Journal
of The Canadian Dental Association, v.74, n.10, p. 913-918.
[33]Braz, A.K.S. et al. (2009) “Evaluation of crack propagation in dental composites by optical coherence tomography”
Dental Materials, v.25, n.1, p. 74-79.
[34]Monteiro, G.Q.M., Montes, M.A.J.R., Rolim, T.V., et al “Alternative Methods for Determining Shrinkage in Re- storative Resin Composites” Dental Materials, v.27, n8, p.e176-e185.
[35]Braz, A.K.S., Aguiar, C. M., Gomes, A. S.L. (2011) “Eval- uation of the integrity of dental sealants by optical coher- ence tomography” Dental Materials, v. 27 n., p. e60-e64.