JP2008197080A - 虫歯の検出方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、初期虫歯を感度良く正確かつ安全に検出する虫歯検出方法および装置を提供するものである。
【解決手段】 周波数掃引可能なテラヘルツ分光装置、あるいは特定の波長のみを発生するテラヘルツ分析装置を、歯の診断に適用し、主に結晶性評価あるいは組成変化によって生じる結晶欠陥から虫歯の検出を行う。特に、歯表面の反射強度特性を用いて評価することにより、非破壊・非侵襲で定量的な診断が実現される。
【選択図】図１

Description

本発明は、歯科医療あるいは歯科研究分野において、虫歯を検出する技術にかかわる。特に、初期虫歯の早期検出、並びに予防処置の効果について、歯材料の結晶性の良否を分光学的に測定する技術に関する。

初期虫歯の検出はＸ線によって検査することもできるが、ごく初期段階での微小な領域を診断することは困難であり、また被爆のリスクも伴うために、実際多くは歯科医師の視診に頼っているのが現状である。しかしながら、目視では十分な診断結果が得られるとは言えず、より信頼性の高く、人体に安全で、定量的な診断方法が求められている。

より定量的な方法として、例えば、非特許文献１（Ｓｔｏｏｋｅｙ，Ｇ．Ｋ．，ｅｔ ａｌ．Ｄｅｎｔａｌ ｃａｒｉｅｓ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ，Ｄｅｎｔ Ｃｌｉｎ Ｎｏｒｔｈ Ａｍ．，４３；６６５−７７，１９９９．）に記載のＱＬＦ（ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｌｉｇｈｔ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）法がある。これは、青から紫外線の励起光を照射し、エナメル質と象牙質の境界付近からの可視光あるいは赤外線の蛍光を検出するものである。虫歯部位の蛍光強度が、健常部位からの蛍光強度に比較して弱いという現象を利用している。しかしながら、可視光程度の波長の蛍光であるために、外乱光に比較して十分な強度を得ることが難しく、検出感度を高くすることが難しい。

更に例えば、特許文献１（特願２００２−３２６４３１）には、照射するレーザー光によって誘起される、ラマン散乱などによる散乱光が、歯の構造体に吸収される量によって虫歯を定量的に評価する方法が記載されている。しかしながら一般的に、非線形光学効果を誘起するには、強力なレーザー光が必要で、特に頭部を対象とする歯科医療において、実際に臨床に使うには危険が伴うことを否めない。

本発明は、初期虫歯を感度良く正確かつ安全に検出する虫歯検出方法および装置を提供するものである。

生体を構成する分子などの固有振動周波数が存在するテラヘルツ領域での分光スペクトルでは、結晶性を反映する情報が得られることが知られており（非特許文献２ Ｊｕｎ−ｉｃｈｉ Ｎｉｓｈｉｚａｗａ，Ｋｅｎ Ｓｕｔｏ，Ｔｅｔｓｕｏ Ｓａｓａｋｉ，Ｔａｄａｏ Ｔａｎａｂｅ，Ｔａｋｅｎｏｒｉ Ｔａｎｎｏ，Ｙｕｔａｋａ Ｏｙａｍａ，Ｆｕｍｉｋａｚｕ Ｓａｔｏ，’ＧａＰ Ｒａｍａｎ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｏｒｇａｎｉｃ ａｎｄ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｄｅｆｅｃｔｓ’，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｊａｐａｎ Ａｃａｄｅｍｙ Ｓｅｒ．Ｂ８２（９），２００６，３５３−３５８）、また一般に、これを測定して物質の同定や組成分析に用いられている。

一方、例えば、半導体ＧａＰ結晶のフォノン−ポラリトンを用いてコヒーレントテラヘルツ波を発生するテラヘルツ信号発生装置が開発され、これを光源として精密に掃引可変することにより、０．３〜７．５ＴＨｚという広帯域にわたって、周波数精度５００ＭＨｚという高精度のテラヘルツ分光装置（ＧａＰテラヘルツ分光装置）が実現されている（例えば、非特許文献３Ｊ．Ｎｉｓｈｉｚａｗａ，Ｔ．Ｓａｓａｋｉ，Ｋ．Ｓｕｔｏ，Ｔ．Ｔａｎａｂｅ，Ｔ．Ｙｏｓｈｉｄａ，Ｔ．Ｋｉｍｕｒａ，Ｋ．Ｓａｉｔｏ，‘Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｔｕｎａｂｌｅ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ−ｗａｖｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ＧａＰ ｕｓｉｎｇ Ｃｒ：ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ ｌａｓｅｒｓ’，ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＩＮＦＲＡＲＥＤ ＡＮＤ ＭＩＬＬＩＭＥＴＥＲ ＷＡＶＥＳ ２７（６）：７７９−７８９ ＪＵＮ ２００６）。
このような周波数掃引可能なテラヘルツ分光装置、あるいは測定対象に適合させて特定の波長のみを発生するテラヘルツ分析装置を、歯の診断に適用し、主に結晶性評価あるいは組成変化によって、その結晶性の劣化、いわゆる結晶欠陥から虫歯の検出を行う。特に、歯表面の反射強度特性を用いて評価することにより、非破壊・非侵襲で定量的な診断が実現される。

歯の治療において、その結晶性という、いわばナノオーダースケールの評価により、ごく初期段階の虫歯、う蝕の検出が可能となるほか、虫歯予防に有効とされるフッ素化の効果も検出できる。また、反射測定やファイバー光学系の採用により、容易な操作で信頼性の高い診断が可能となる。更にテラヘルツ波は、そのエネルギーから考えても人体には影響を与えないので、安全な診断が行える。

歯の最表面はエナメル質と呼ばれ、ほぼハイドロキシアパタイト結晶からなっている。虫歯は、エナメル質表面で定常的に起こっている二つの化学反応、「再石灰化」と「脱灰」のバランスが崩れ、脱灰が優勢となってエナメル質が溶け始めることから始まる。

つまり、初期虫歯は結晶からの原子の脱離であり、言い換えれば結晶欠陥の導入に他ならない。

一方、テラヘルツ分光測定では、有機・無機分子の欠陥を検出できることが示されており、原子間振動、分子間振動、あるいは格子振動の周波数がテラヘルツ帯に存在すれば、高感度な定量評価が可能となる。

図１に、ハイドロキシアパタイト結晶、およびフルオロアパタイト結晶の標準粉末試薬について、ＧａＰテラヘルツ分光装置を用いて測定した吸収スペクトルを示す。このとき測定した試料は、テラヘルツ領域で吸収の少ないポリエチレンの粉末に、それぞれ適当量の粉末をすりつぶした後に混合し、圧粉してペレット状にしたものである。すりつぶすことは、テラヘルツ波が散乱されるのを防ぐために必須であり、おおよそ５ミクロン以下の粒径となるように調整している。

ハイドロキシアパタイトでは、２．９ＴＨｚ、５．７ＴＨｚに特徴的な吸収が見られる。フルオロアパタイトでは、１．４ＴＨｚ、２．８ＴＨｚ、３．１ＴＨｚ、５．５ＴＨｚ、６．０ＴＨｚに特徴的な吸収が見られる。

図１には更に、ホホジロサメの歯を上記と同様な手順で粉末化し、適当な濃度でポリエチレン粉末と混合し、圧粉してペレット状に成型したもののテラヘルツ吸収スペクトルも示した。このスペクトルはハイドロキシアパタイト結晶に非常によく似た特徴を示し、鮫の歯がハイドロキシアパタイトからなることを定性的に示している。より定量的に扱うには、ピーク分離を行い、それぞれの吸収強度や半値幅を評価する必要がある。ここでは実験の都合上、ホホジロザメの歯を用いたが、人間の歯も同じハイドロキシアパタイトで構成されているので、問題なく適用することができる。

エナメル質の表面がフッ素化してフルオロアパタイト結晶になると、虫歯になりにくいために虫歯予防として利用できると言われている。フルオロアパタイトの吸収ピークはハイドロキシアパタイトのそれと大きく異なるために、スペクトル測定から識別することができる。つまり、フッ素化の虫歯予防に対する効果を評価するためにも、この手法は利用できる。また、再石灰化の際には中間物質としてリン酸水素カルシウム・二水和物が存在するとも言われている。リン酸水素カルシウム・二水和物のスペクトルも図１に示すが、３．９ＴＨｚ、５．２ＴＨｚ、５．９ＴＨｚに特徴的な吸収線が見られており、再石灰化の様子も評価に応用できる。

ちなみに、歯のエナメル質中でハイドロキシアパタイトは多結晶であり、ひとつの結晶は粒径２００〜２０００ｎｍ×１０〜８０ｎｍと細長く、これらが強く配向して存在している。このような対象に対しては、入射テラヘルツ波の偏光方向を厳密に制御した、偏光分光が有効である。

実施例１の方法では、歯の測定を行うために、歯を抜去あるいは切削する必要があり、これは非侵襲では無く診断に用いるのは難しい。テラヘルツ反射分光測定を行うことによって、非侵襲診断を実現することができる。

空気中に置かれた屈折率ｎ_１、消衰係数ｋ_１の物質に電磁波が垂直に入射する場合、反射率は

で表される。この周波数依存性を調べることが、テラヘルツ反射分光測定である。

仮に、ｎ１＞＞ｋ１の場合、

と表されるので、屈折率変化が反射の変化として現れることになる。屈折率の異常分散は物質に固有のものであるので、屈折率の周波数依存性から物質を特定することができる。例えば、テラヘルツ帯における反射分光測定法は、特許公開２００５−１７２７７４「反射光学特性によって物性を測定する装置および測定方法」において示されている。

図２は、反射テラヘルツ分光測定系の一例を示す。ＧａＰテラヘルツ信号発生装置より出射されたテラヘルツ波１は、ビームスプリッター２によって２つに分割され、その反射波は参照用テラヘルツ検出器６に導かれる。もう一方の透過波は放物面ミラー３によって集光されるとともにミラー４によって、測定試料５に導かれる。このとき、入射角が一定になるように制御されている。測定試料５からの反射波は、ミラーによって測定用テラヘルツ検出器７に導かれる。参照用と測定用の２つの検出器を用いるダブルビーム方式を採用することにより、光源の強度変化を補正した測定が実現されている。

図３には、この測定系を用いて測定したホホジロザメの歯に対する反射テラヘルツ分光スペクトルを示す。図１に示した歯の吸収周波数２．９ＴＨｚに対応し、この周波数で反射率が大きく減少する周波数分散が見られる。歯表面のテラヘルツ波反射率は、屈折率の周波数依存性が支配的であることもわかるとともに、反射分光測定からも歯表面の物質特定、結晶性評価が可能であることが示されている。ここでは実験の都合上、ホホジロザメの歯を用いたが、人間の歯も同じハイドロキシアパタイトで構成されているので、問題なく適用することができる。

この測定では、煩雑な前処理や、測定結果の複雑な計算処理などを必要とせず、測定がきわめて容易で、時間がかからない特長がある。尚、テラヘルツ吸収測定にあたっては、感度を向上させるため、あるいは測定精度を向上させるために、歯表面の乾燥、加湿、反射膜や反射防止膜の塗布、凍結、研磨などの処理を入れても良い。また、テラヘルツ分光測定系としては、ＧａＰテラヘルツ分光装置に限らず、遠赤外線ＦＴＩＲ測定装置やテラヘルツタイムドメインスペクトロスコピー（ＴＨｚ−ＴＤＳ）装置などを用いても良い。更に、周波数を事前に選択すれば、ＴＵＮＮＥＴＴダイオードやＩＭＰＡＴＴダイオード、ＧＵＮＮダイオードのような半導体高周波発振器や、ＢＷＯ（Ｂａｃｋｗａｒｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）などの真空管高周波発振器、あるいは量子カスケードレーザなどの、周波数掃引範囲の比較的狭い素子を光源としてもよい。

テラヘルツ波はいわゆる遠赤外線に属し、エネルギーが低いので、特別な高強度を得ない限り、人体に対して安全である。このことから、安心して医学診断に用いることができる。

任意の位置のテラヘルツ反射あるいは吸収スペクトルを得るために、例えば、図４に示すような中空ファイバー１２でテラヘルツ波１１を導波させることができる。この場合、測定試料１３表面での反射波１５は、直接検出器１４に導いてもよいし、放物面鏡１６や積分球１７などで集光してもよいし、あるいは再び中空ファイバー１２などを導波し、検出器１４まで導いてもよい。テラヘルツ波照射部も、必要に応じて、レンズや凸面鏡、放物面鏡あるいは、アンテナなどで集光したり、ビーム形状を整形してもよい。ビーム形状を小さくすることにより、微小なう蝕を検出することができ、ごく初期の虫歯まで検出できる。このスポットを空間的に走査すれば、歯表面のテラヘルツ反射スペクトルマッピングが得ることができ、これは虫歯のマッピングに相当する。中空ファイバーの代わりに、周期性を持つ構造体によりテラヘルツ波を導波するフォトニックファイバーでもよい。

また、このときのテラヘルツ光源としては、ＧａＰテラヘルツ発振装置に限らず、高圧水銀ランプのような白色光を分光したものや、極短パルスレーザを用いても良い。更に、ＴＵＮＮＥＴＴダイオードやＩＭＰＡＴＴダイオード、ＧＵＮＮダイオードのような半導体高周波発振器や、ＢＷＯ（Ｂａｃｋｗａｒｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）などの真空管高周波発振器、あるいは量子カスケードレーザなどの、周波数掃引範囲の比較的狭い素子でもよい。

ハイドロキシアパタイト、フルオロアパタイト標準試薬、およびホホジロザメ歯粉末試料のテラヘルツ吸収スペクトル テラヘルツ反射分光測定系の一例 ホホジロザメ歯の反射テラヘルツ分光スペクトル 導波路を用いたテラヘルツ反射測定装置

符号の説明

１…テラヘルツ波
２…ビームスプリッター
３…放物面ミラー
４…ミラー
５…測定試料
６…参照用テラヘルツ検出器
７…測定用テラヘルツ検出器
１１…テラヘルツ波
１２…中空導波路
１３…歯表面
１４…テラヘルツ検出器
１５…反射テラヘルツ波
１６…放物面鏡
１７…積分球

Claims (4)

1. テラヘルツ波を用いた測定に関し、範囲を限定することもできるテラヘルツ波周波数掃引、または少なくとも一つ以上の任意の単一周波数を指定したテラヘルツ波を照射する機能を有し、人間あるいは動物の歯表面に対して照射したテラヘルツ波の少なくとも反射波強度から、虫歯を検出あるいは予防効果などの虫歯の進行状態を調べることを特徴とする測定装置および方法。
2. 請求項１において、ハイドロキシアパタイトの２．９ＴＨｚ、５．７ＴＨｚの吸収線の少なくとも１つあるいは複数の組み合わせ、あるいは複数の吸収間の比、
   フッ素化アパタイトの２．８ＴＨｚ、３．２ＴＨｚ、５．６ＴＨｚ、６．０ＴＨｚの吸収線の少なくとも１つあるいは複数の組み合わせ、あるいは複数の吸収間の比、
   リン酸水素カルシウム・二水和物の３．９ＴＨｚ、５．２ＴＨｚ、５．９ＴＨｚの吸収線の少なくとも１つあるいは複数の組み合わせ、あるいは複数の吸収間の比、の少なくともひとつを用いて、虫歯の検出、あるいは虫歯予防効果などの虫歯の進行状態を調べることを特徴とする測定装置および方法。
3. 請求項１および２において、評価する物性が歯の組成あるいは結晶欠陥であることを特徴とする測定装置および方法。
4. 請求項１、２および３において、照射するテラヘルツ波をファイバーで導波し、その反射波を検出することを特徴とする測定装置および方法。

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