高频超声在外周牙周组织测量中的应用：与锥形束计算机断层扫描的准确性和重复性比较

《Ultrasound in Medicine & Biology》：High-Frequency Ultrasonography for Ex Vivo Periodontal Tissue Measurement: Accuracy and Reproducibility Compared to Cone Beam Computed Tomography

　　洛朗·埃斯特拉德（Laurent Estrade）|巴蒂斯特·艾特·斯利曼（Baptiste Ait Slimane）|亚历克西斯·德尔皮埃尔（Alexis Delpierre）|维克托·朗波（Victor Rimbaud）|弗雷德里克·丹尼斯（Frédéric Denis）|盖尔·Y·罗谢福尔（Ga?l Y. Rochefort）|马蒂厄·雷诺（Matthieu Renaud）
图尔大学（University of Tours）牙科学院，法国图尔

**摘要**
**目的**
本研究旨在通过将超声成像获得的牙周组织测量结果与锥形束计算机断层扫描（CBCT）的参考测量结果进行比较，评估其准确性和重复性。

**方法**
共纳入12个半下颌作为研究对象。首先进行CBCT扫描，随后进行牙周结构的超声测量。超声成像使用的是20 MHz线性阵列探头（视场14.1 × 6.4毫米；穿透深度约4.9毫米；轴向/侧向分辨率分别为80/120微米）。超声图像使用ImageJ软件进行分析。通过设定参考点来测量不同组织。由于样本数量较多（>50个），分别采用了Kolmogorov-Smirnov检验和Lin一致性检验。

**结果**
共进行了348次手动探针测量。Lin一致性相关系数分别为：
- 牙龈厚度：0.479（95%置信区间[0.393–0.558]）；
- 从牙槽嵴到牙界面（CEJ）的距离：0.872（95%置信区间[0.842–0.897]；
- 从牙槽嵴到牙龈边缘的距离：0.794（95%置信区间[0.749–0.832]；
- 牙槽骨厚度：-0.0165（95%置信区间[-0.0512到0.0183]）。

**结论**
高频超声在体外测量牙周结构方面表现出较高的准确性和重复性，尤其是在测量从牙槽嵴到牙界面的距离方面。但需要进一步的临床研究来验证其在体内的应用效果。

**临床意义**
这种非电离技术为牙周评估提供了一种安全的替代方案，相比CBCT，它不仅能够提高早期诊断和监测的准确性，还能减少辐射暴露。

**引言**
牙周组织包括牙槽骨、根面 cementum（牙骨质）、牙周韧带和牙龈组织，对牙齿的支撑至关重要[1]。牙周检查用于评估组织健康状况、炎症程度及附着丧失情况，但目前的方法存在局限性。健康的牙周组织表现为探针探查时无出血、无红肿和水肿，患者无症状，尤其是没有与牙槽骨的附着丧失[2]。随着时间的推移，牙槽-牙齿系统各组成部分可能会发生显著的组织变化（如老化、机械适应和磨损），尤其是在伴有牙周疾病或正畸治疗施加过度力的情况下[3]。尽管牙周检查很重要，但在临床实践中仍存在一些局限性，尤其是在准确评估牙周组织的数量和质量方面。传统的牙周检查依赖主观观察和手动探针操作，这会导致较大的误差[4][5][6][7]。组织质量的评估通常基于手动探针来测试其弹性，但这同样引入了较大的变异性[8]。此外，探针操作时施加不当的压力可能导致测量结果不准确、数据记录错误以及附着丧失的计算误差。其他误差来源还包括牙石或牙科修复体的存在，这些因素可能会干扰探针的读数[9]。此外，在临床实践中准确评估骨厚度、牙齿周围的皮质骨位置或不同组织类型的空间关系也非常具有挑战性[10,11]。

**放射影像学**
放射影像学是评估牙周组织的重要辅助工具[12]。通常使用根尖影像来评估水平和垂直方向的骨缺损，无论这些缺损是否与牙龈炎症相关。然而，放射影像方法（如根尖影像）无法提供关于组织质量或炎症状态的详细信息[13]。影像仅能显示骨脱矿现象，这是疾病的晚期表现，通常在上皮附着丧失和软组织炎症开始后的数月才会出现。这种延迟的检测限制了早期诊断，减少了及时干预的机会[2]。虽然锥形束计算机断层扫描（CBCT）和磁共振成像（MRI）理论上可以克服许多传统牙周评估的局限性，但CBCT虽然信息量更大，却因成本高昂和辐射暴露问题而限制了其常规使用。虽然识别牙槽-牙周系统的解剖结构相对简单，但研究表明，在某些情况下，二维影像能提供比CBCT更准确的测量结果[14]。一旦发生牙周疾病或进行正畸治疗，牙槽-牙齿结构会发生变化，包括水平方向的骨吸收或骨重塑。为了监测这种变化（尤其是水平骨丧失的情况），最可靠的参考标准仍是牙槽嵴在矢状平面上的位置，该位置相对于牙骨质-釉质交界处进行测量[15,16]。对这些变化的密切和重复监测需要一种既精确又实用的影像技术。理想情况下，这种技术应具有无创性、经济性，并且不会产生辐射暴露或加速组织损伤等不良影响。因此，亟需能够满足这些要求的替代影像技术。

**最新研究**
近期研究表明，超声是一种无创、非电离的牙周评估方法[17][18][19][20]。最近的研究进一步扩展了这一领域，已经报道了在人类受试者中对牙周软组织的定量超声分析[5,21]。高频口腔超声系统能够检测炎症并识别软组织层次[22,23]。在人类和猪模型中进行的临床可行性和转化研究也已经发表[24][25][26]。关于猪口腔和牙周组织的超声研究也非常丰富[26]。这些研究突显了超声技术在实时、无辐射成像方面的潜力。本体外研究通过将超声结果与CBCT的结果进行直接对比，为特定标志物的测量提供了准确性及重复性的验证。超声能够实时显示软组织和骨界面，为其临床应用提供了广阔前景。这种方法可以从初始牙周评估到治疗计划和监测、正畸治疗计划和监测以及手术引导等多个方面提供帮助[27]。

**超声成像的应用**
超声成像在牙科患者护理中具有广泛应用。其主要优势在于无创性和非电离特性，使其成为一种安全高效的诊断工具。此外，超声成像能够快速获取图像并具有良好的重复性，同时对患者来说是无痛的。这种技术可以实时显示被检查的组织，从而更精确地辨别解剖结构[28]。超声还能提供关于牙周环境的更全面视图，有助于了解组织结构和潜在的病理变化或解剖学变异。借助高分辨率的牙周超声，可以清晰地观察到釉质、釉质-牙骨质交界处、牙槽嵴、牙龈沟、游离牙龈以及上皮和结缔组织的附着情况[29]。值得注意的是，通过数字图像分析，可以精确且无创地测量牙周袋的深度，从而无需传统的人工探针检查[30]。

**本研究方法**
**动物模型**
选择猪模型是因为其解剖结构与人类牙周结构高度相似，尤其是在牙齿大小和形态方面，使其适合作为体外研究的替代对象[31]。本研究选择了家猪的下颌，因为猪和人类的牙周结构在牙齿大小和形态上具有很强的相似性。猪还具有实际优势，如成本低、易获取且符合伦理要求（所用猪原本就是用于人类消费，并非专门为研究目的而宰杀）。仅使用了下颌，且在这种情况下无需伦理委员会的批准。

**实验过程**
用手术刀仔细分离下颌周围的软组织以暴露牙齿表面，共纳入12个半下颌，提供了大约300个测量点，根据先前的研究认为这足以满足统计需求[30]。这些猪年龄为6个月，每个半下颌包含大约4到5颗牙齿（通常包括2颗前磨牙和2-3颗磨牙），共计评估了45颗牙齿，从而获得了至少300个独立测量数据。样本储存在4°C环境中，所有测量均在样本采集后48小时内完成，以尽量减少组织退化。每个测量值都被赋予唯一的序列号，以确保数据的可追溯性和系统性管理（图1）。

**数据获取**
在获取超声图像之前，每个样本均由经验丰富的操作员使用CBCT扫描仪（Carestream CS9600）进行扫描，参数设置如下：120 kVp、6.30 mAs、扫描时间20秒、空间分辨率200微米。获取的CBCT数据使用CS 3D Imaging软件（版本3.10.38）进行三维重建，并以DICOM格式导出以供后续分析。对于每颗牙齿，在标准位置（前磨牙的近中、中央和远中位置，以及磨牙的近中-中央、中央-远中和远中位置）获取横截面超声图像（图1）。为确保两种成像方法之间的对应性，CBCT横截面重建和超声采集使用了相同的预定义位置。在每个位置测量了四个参数：
- 牙龈厚度：垂直于牙齿长轴，在牙乳头顶端1毫米处测量；
- 从牙槽嵴到牙界面（CEJ）的距离；
- 从牙槽嵴到牙龈边缘的距离；
- 牙槽骨厚度：垂直于牙齿轴线，在牙槽嵴顶端2毫米处测量。

**后续处理**
获取的CBCT数据通过CS 3D Imaging软件（版本3.10.38）进行三维重建，并以DICOM格式导出。超声探头（A）示意图，其定位垂直于颊侧牙周组织（B：垂直于牙齿的近远軸并平行于牙冠-根尖軸）。超声测量

为了收集解剖学数据，超声探头被放置在每个预定义的位置，方向垂直于牙齿的近远軸并平行于牙冠-根尖軸。使用矩形视野；尺寸转换按照制造商提供的刻度进行，通过垂直方向布置来最小化曲率效应。图像采集和解释由具有超声成像经验的操作员使用ImageJ软件完成（图4）。图像以JPEG格式保存以便后续评估。在每个位置测量四个参数：（i）牙龈厚度，垂直于牙齿长轴在乳头尖端上方1毫米处测量；（ii）从牙槽嵴到冠釉界面（CEJ）的距离；（iii）从牙槽嵴到牙龈边缘的距离；（iv）牙槽骨厚度，垂直于牙齿轴在牙槽嵴上方2毫米处测量。像素距离被测量后，根据换能器制造商提供的比例转换为厘米。然后将超声测量结果与CBCT图像的相应测量结果进行比较（见图5，以便并排展示标志点的对应关系）。为了确保重复性，同一操作员对一组样本（n = 50）进行了重复测量，关键参数的组内相关系数>0.85。

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图4. A/ 超声图像的采集；B/ 冠釉界面；C/ 牙槽骨；D/ 结缔组织；E/ 角化组织。B/ 用红线标记的元素——牙龈厚度，在乳头尖端上方1毫米处垂直测量；绿线——从牙槽嵴到CEJ的距离；紫线——从牙槽嵴到牙龈边缘的距离；黄线——牙槽骨厚度，在牙槽嵴上方2毫米处垂直测量。

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图5. 统计数据。A/ 手动测量和超声测量结果之间的均值和标准差比较。B/ 使用Kolmogorov-Smirnov检验得到的p值。

在超声图像采集后立即使用直径为6毫米的穿刺活检技术在第一磨牙的舌侧角化牙龈层面进行软组织活检。选择舌侧位置是为了避免干扰颊侧测量点。在猪的下颌骨中，颊侧和舌侧的角化牙龈在厚度和结构上相似。组织样本被固定在4%的甲醛中并在4°C下保存，然后送往图尔大学医院的组织学实验室。经过石蜡包埋后，样本在平行于牙齿长轴的颊舌平面上切成5微米厚的切片。每个活检样本选择一个代表性的切片，尽量与超声成像平面吻合，然后用苏木精和伊红染色进行组织学分析，并用于与超声图像进行比较。

采用5%的显著性水平（α = 0.05）。分析使用RStudio软件（版本2024.04.1）进行。由于样本量超过50个观测值，使用Kolmogorov-Smirnov检验来评估数据正态性。Lin的一致性相关系数（CCC）被计算出来，以评估超声和CBCT测量结果之间的一致性。使用四分位距方法识别异常值并从分析中排除。基于先前研究的功效计算表明，300个测量点具有80%的功效来检测0.5毫米的测量差异 [30]。

使用两种方法共进行了348次测量。用于测量的解剖学参考点已在图2和图4中标出。这些标志点使得牙周组织的关键组织结构可视化，并作为所有测量的基础。相应的统计结果汇总在图6和图7中展示。

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图6. 同一解剖位置的CBCT（左侧）和超声（右侧）图像的并排比较，附有相应的测量注释和指示相同标志点的箭头。
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图7. 统计数据。手动探针和超声图像测量之间的相关性测试：A/ 牙龈厚度；B/ 牙槽骨厚度；C/ 从牙槽嵴到CEJ的距离；D/ 从牙槽嵴到游离牙龈边缘的距离。

Kolmogorov–Smirnov检验用于评估数据分布。对于通过超声和金标准方法（CBCT）测量的牙槽嵴到冠釉界面（CEJ）的距离，以及通过这两种方法测量的牙槽嵴到牙龈边缘的距离，p值均低于0.05。提交给Kolmogorov–Smirnov检验的所有其他数据集的p值均大于0.05。

Lin的一致性相关系数（CCC或ρc）用于评估每种参数两种测量方法之间的一致性。CCC值及其95%置信区间如下：
– 牙龈厚度：0.479（95% CI [0.393–0.558]
– 从牙槽嵴到CEJ的距离：0.872（95% CI [0.842–0.897]
– 从牙槽嵴到牙龈边缘的距离：0.794（95% CI [0.749–0.832]
– 牙槽骨厚度：–0.0165（95% CI [–0.0512–0.0183]）

牙槽骨厚度的负Lin CCC（?0.0165）表明一致性较差，这可能是由于高频超声（20 MHz）在矿化组织中的穿透能力有限。因此，尽管牙龈厚度测量显示出中等程度的一致性，但从CEJ到嵴的距离显示出高重复性，突显了其临床潜力。

如图7所示，CCC结果表明超声和CBCT在测量从牙槽嵴到CEJ的距离方面具有高度一致性和相关性。从牙槽嵴到牙龈边缘的距离的一致性略低，但仍在临床可接受范围内。这些发现支持了超声在评估特定牙周参数方面的可靠性。

用苏木精和伊红（H&E）染色的组织学切片提供了牙龈上皮和下方结缔组织的高分辨率视图（图8）。角化牙龈上皮的表面清晰可见，以及下方的结缔组织层。组织学切片显示了上皮层和上皮下层之间的明显分层，组织结构和细胞细节保存良好。同一解剖区域的相应超声图像允许可视化与牙龈上皮相对应的超声高回声表面层和上皮下结缔组织。牙龈表面呈现为明亮的连续回声线，而下方的结缔组织则显得更加不均匀且低回声，反映了其不同的声学特性。组织学和超声图像在识别牙周软组织层方面的对应关系非常明显。这证实了高频超声能够区分关键解剖层，特别是角化上皮和结缔组织，并支持其用于非侵入性评估牙龈结构的潜力。

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图8. 牙龈组织的组织学和超声成像比较。A/ 用苏木精和伊红（H&E）染色的组织学切片。红色箭头指示角化牙龈上皮的表面。黄色星号突出显示下方的结缔组织层。B/ 相应的超声图像。红色箭头指向高回声表面层（凝胶-上皮边界处的强界面反射）；黄色星号标记上皮下结缔组织（低回声）。表面之上的分层结构是耦合凝胶。

讨论
尽管视场的宽度有限，但由于探头相对于组织表面的垂直方向，可以同时可视化多个解剖层。因此，牙龈上皮、结缔组织和皮质骨表面在同一扫描深度内依次出现。图8B展示了这种深度轮廓，而不是宽范围的水平覆盖，解决了关于穿透力和分辨率一致性的潜在问题。

我们的结果表明统计相关性和一致性令人满意；临床差异相对较小。在临床实践中，决策通常基于毫米级的精度。超声在测量从牙槽嵴到CEJ的距离方面与CBCT的高度一致（CCC = 0.872），表明其可靠性。然而，牙槽骨厚度的负CCC突显了在成像矿化组织方面的局限性。鉴于这种方法在牙周炎检测方面的潜在临床应用前景，这些发现特别有希望[19,20]。

虽然CBCT成像被用作比较某些解剖距离的金标准，但它在可视化特定解剖结构方面也存在局限性。例如，基于牙槽突的测量——尤其是在远端区域——可能受到不均匀矿化的影响。这种不均匀性可能是由于之前的创伤、骨折或医源性操作引起的，这可能导致骨样组织的低矿化而不完全丧失骨样基质。这种骨样组织在超声上仍然可见，但由于CBCT依赖X射线衰减，可能在CBCT上无法检测到。因此，CBCT在这些最远端的元素检测方面可能不太可靠。CBCT的另一个局限性与牙槽突和牙釉质之间的接近性有关。由于牙釉质大约有97%是矿化的，它可能导致饱和伪影，使得区分相邻的解剖结构更加困难。这种现象可能有助于解释CBCT和超声在涉及牙槽嵴标志点的测量中观察到的差异[14,33]。

冠釉界面通常定义为牙釉质在牙齿颈部结束的解剖过渡点，标志着牙冠和牙根之间的边界[34]。在我们的研究中，基于对牙周解剖学的理解，我们观察到在颈部边缘存在一个高度矿化的无细胞牙骨质层。这似乎是所使用的动物模型（猪）的一个独特特征，尽管关于猪颌超声的新兴文献存在[26]，但专门针对颈部牙骨质特征的高频研究仍然较少。

关于骨骼评估，超声图像中显著低估了牙槽骨的厚度。这种低估是由于该技术的固有局限性所致。高频超声（20 MHz）在骨中的穿透能力有限，导致牙槽骨厚度被低估。此外，换能器对组织的压缩可能影响了牙龈厚度的测量，体外条件可能引入偏差，如轻微脱水，可能会改变组织的回声性。我们还观察到，使用超声获得的牙龈厚度测量值往往低于同一研究中CBCT获得的值，也低于猪模型中公布的值（约1.5–3毫米[31]）。这种差异可能归因于换能器在图像采集过程中对牙龈的压力导致的组织压缩。图6中展示的单一组织学-超声配对可视化了上皮层和结缔组织层的识别，尽管希望有更多的匹配对。

超声成像在牙科患者管理中具有巨大潜力，特别是在牙周病学中。其优点包括非侵入性和非电离性质，使其成为更安全的诊断选择[17]。超声能够非侵入性地可视化软组织层，显示出进行常规牙周评估的潜力，特别是监测牙龈健康和计划正畸治疗。超声成像能够评估多个参数，包括牙龈厚度、冠釉界面的位置以及周围组织之间的空间关系。受经常使用超声进行患者护理的医学学科的启发，牙科也可能从这种成像方式中受益，特别是通过分析组织的回声性。回声性的差异不仅反映了组织类型和结构，还反映了炎症状态[30]。

使用超声凝胶对于图像采集是必不可少的，但需要小心处理以避免压缩组织，否则可能导致测量偏差。最后，我们观察到操作超声探头时存在明显的学习曲线，尤其是在识别和解释牙周结构方面，这突出了操作员培训的必要性。然而，该模型仅考虑在没有临床条件（如牙龈炎症或牙石存在）的情况下的测量。在体内，牙龈炎症会增加组织厚度并改变回声性，可能会复杂化标志点的识别。在这种情况下返回的图像将无法正确区分各种组织的位置，例如结缔组织附着的部位，从而扭曲测量结果。尽管前景广阔，但临床应用仍面临诸多实际挑战。目前口腔内探针的尺寸限制了其对舌侧和牙缝区域的检测能力。患者的配合程度、唾液管理情况以及呕吐反射都可能影响成像质量和结果的可重复性。本体外研究仅针对颊侧区域进行；要实现全面的360度牙周评估，需要使用更小或专门的探针，并开展专门的体内可行性研究。未来的研究应在体内验证这些发现，探索诸如牙龈炎症等临床因素的影响，研究高频换能器的使用以改善骨组织成像效果，并评估不同操作者之间结果的重复性，从而增强这一技术的转化潜力。

结论：本体外研究表明，高频超声是一种可靠且无创的测量牙周结构的方法，尤其是在测量从牙槽嵴到牙龈结合部（CEJ）的距离方面，其结果与计算机断层扫描（CBCT）的高度一致（一致性系数CCC=0.872）。然而，由于在矿化组织中的穿透能力较差，该技术在测量牙槽骨厚度方面的准确性有限。这些发现支持了超声作为牙周病学诊断工具的潜力，但还需要进一步的临床研究来验证其在体内的实际表现，并评估其检测病理变化的能力。