当今社会龋齿是一种广泛存在的慢性传染病，严重威胁人类健康，如果不及时治疗可能会引发一系列口腔甚至全身问题。目前临床上常用X射线、口腔CT的方法检测龋齿，此类方法会产生令人担忧的电离辐射。

   吴晓君副教授团队获深圳虚拟大学园2021年自由探索类基础研究项目专项资金资助，近日，以深圳北航新兴产业技术研究院为第一单位在《Optics Express》上发表“太赫兹光谱技术应用于龋齿检测的交叉研究”论文——Dental caries diagnosis using terahertz spectroscopy and birefringence。

    太赫兹光谱检测技术利用的太赫兹波的光子能量低，且具有一定穿透性，不会对人体产生有害辐射，适合用于龋齿诊断与筛查，但该领域的相关研究仍处于起步阶段。论文利用太赫兹波透过牙齿时携带的牙齿内部健康状态信息，如存在龋齿的位置透射信号较弱，将健康牙釉质和龋坏牙釉质区分开来。此外成功地观察到了牙釉质中太赫兹双折射现象的存在，证明了利用太赫兹光谱技术和太赫兹双折射现象应用在龋齿诊断与筛查的可行性。

研究内容

1.成功观察到牙釉质中的太赫兹双折射现象，这种各向异性现象与位置相关，并可通过牙釉质结构的显微成像结果解释。

2.龋齿处的太赫兹脉冲透射信号相较于健康釉质处更低。

3.发生龋齿时，釉质中的羟基磷灰石晶体结构被破坏，太赫兹双折射导致的透射信号各向异性也被抑制。

4.透射信号的衰减和各向异性的减弱可作为太赫兹光谱龋齿检测的新方法。

图1 实验装置和牙齿切片。（a)太赫兹时域光谱仪。(b)，(c)健康牙齿和龋齿的切片

图2 健康牙釉质、牙本质和龋齿牙釉质的太赫兹光谱。

（a）牙釉质、龋齿、牙本质处的太赫兹透射电场信号和参考信号，以及（b）其相应的傅里叶变换谱。

它们的透过率谱、相对损耗谱和折射率谱如（c）、（d）和（e）所示。

图3 图1b处健康牙釉质的太赫兹透射信号。图（a）-（l）为太赫兹透射时域波形相对于从0°到165°（以15°为间隔）不同方位角的变化过程。

各图中红色虚线表示第一个峰值，蓝色虚线表示第二个峰值。

图4 太赫兹各向异性与健康牙釉质的位置相关。

（a）健康牙齿的切片照片，（b）-（i）在牙釉质不同位置的太赫兹峰峰值和等效折射率。

图5 健康牙釉质的微观结构与太赫兹各向异性之间关系。

（a）牙釉质有三种典型的纹理结构：黄色虚线1指示的釉柱；黄色虚线2指示的生长线；黄色虚线3指示的加工刻痕。

（b）和（c）为对应位置的显微图像和太赫兹各向异性图。（d）和（e）为对应位置的显微图像和太赫兹各向异性图。

图6 太赫兹各向异性与釉质龋位置的关系。（a）龋齿的切片图。

（b）健康牙釉质和（c）、（d）龋齿牙釉质处的太赫兹峰峰值及其等效折射率，各向异性的程度存在差异。

图7 釉质中的太赫兹双折射。釉柱的方向与太赫兹偏振方向垂直（a）或平行（b）。

线偏振太赫兹脉冲分别完全倾斜至慢光方向（a）或快光方向（b），

而（c）釉柱的快光和慢光方向均与太赫兹偏振方向不平行，入射的太赫兹脉冲则被分为快光和慢光。

而探测器只能探测水平偏振的太赫兹脉冲分量。

图8 厚度为670μm的健康牙釉质切片的太赫兹透射信号。

150°时（图k）的信号可由105°时（图m）和195°（图n）时的透射信号相加（图o）而来，

表明牙釉质处太赫兹透射信号的各向异性是由双折射导致的。

        吴晓君，北京航空航天大学电子信息工程学院副教授、博导，深圳北航新兴产业技术研究院项目负责人，入选2014年度德国洪堡学者、2017年北航“卓越百人”计划、2018年北航“青年拔尖人才支持计划”、2018年度北京市青年骨干项目、2021年度国际红外毫米波太赫兹学会首届Zhengyi Wang女科学家奖。

        论文的共同第一作者为北航电子信息工程学院博士生才家华、中日友好医院口腔科光梦凯，共同通信作者为首都医科大学附属北京友谊医院口腔科金洁琪和北航电子信息工程学院吴晓君副教授

论文地址

https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-8-13134&id=471165

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