The biofluorescence-bleaching method for distinguishing caries lesion from discolored pit and fissure

Abstract

The occlusal surface of teeth has narrow and deep pits and fissures, making it easy for staining substances to attach and allowing for the accumulation of external deposits such as dental plaque. Due to the complex anatomical structure of the occlusal surface, removing deposits from pits and fissures is difficult, leading to susceptibility to occlusal caries. During this process, if bacteria penetrate the demineralized porous structure concurrently with staining substances, it progresses to brown or black opaque cariogenic discoloration. Pit and fissure discoloration is among the factors impacting the diagnosis of occlusal caries and plays a pivotal role in confirming its presence. However, distinguishing between discoloration caused by the caries process and stains originating from organic substances such as food chromogens is challenging for dentists in clinical settings. Furthermore, using discoloration as a diagnostic criterion for occlusal caries still remains controversial. The biofluorescence (BF) technology utilized in dental field visualizes and quantifies the BF emitted from teeth when exposed to the short wavelength of blue visible light, evaluating the pathological state of the oral cavity. Changes in mineral contents and structure within dental tissues manifest as differences in green BF intensity, while pathological conditions related to oral bacteria metabolism can be identified by red BF intensity. There have been efforts to differentiate cariogenic discolorations on occlusal tooth surfaces using BF. However, assessing BF from discolored occlusal surfaces has limitations due to the masking effect of discoloration, which absorbs and scatters light. Therefore, this study aims to verify the BF color changes of pits and fissures before and after bleaching, and to suggest BF-bleaching as a method to detect occlusal caries after removing organic stains from discolored occlusal surfaces. The present study was conducted in two main experiments. The first experiment aimed to distinguish cariogenic discoloration by comparing the BF color changes after applying BF-bleaching to a simulation model mimicking cariogenic discoloration. In the second experiment, BF-bleaching was applied to the discolored pits and fissures of extracted teeth, and the changes in BF color parameters were examined to confirm their ability to distinguish cariogenic discoloration. In the first study, artificial early caries lesions mimicking cariogenic discoloration were created using bovine incisors to reproduce the BF observed in cariogenic discoloration. These lesions were classified into three categories: non-stained lesions (NS) without any staining intervention, organic-stained (OS), and cariogenic-stained (CS) lesions. Dental bleaching was performed to remove stains, and the BF changes of discolored lesions were evaluated both fluorometrically and hyperspectrally. As the stains were removed through bleaching, the BF of the lesions tended to brighten. However, within the CS group, the hue angle (h°) of BF persisted within the red color range (345°‒15°), and the second emission peak within the red range (620‒780 nm) of the BF spectrum distinctly observable. In contrast, the h° of BF in the OS group exhibited a significant shift from orange (15°‒45°) to yellow (45°‒75°) after bleaching, but there was no second emission peak in the red range of the BF spectrum. In the second study, bleaching was applied to extracted teeth with discolored pits and fissures, and the BF color changes were evaluated on individual pit and fissure analysis units. Histology results were utilized to differentiate between non-cariogenic discoloration, referred to as sound area (Sound), and cariogenic discoloration (CD). Additionally, CD was further classified into two categories based on the presence of red BF observed in BF images on occlusal surfaces before bleaching: cariogenic discoloration accompanied by red BF (RF) and cariogenic discoloration without observed red BF (Non-RF). Before bleaching, the red BF intensity (ΔR) differed significantly among the Sound, Non-RF, and RF groups. After 5 minutes of bleaching, the ΔR of the Non-RF and RF groups became similar. The BF h° of the RF and Sound groups increased over time after bleaching, maintaining the red and orange ranges, respectively. In contrast, the h° of the Non-RF group decreased after bleaching, with the color range shifting from orange to red. The ability of the BF parameters to distinguish between Sound and Non-RF groups, where no red BF was observed before bleaching, was confirmed through ROC analysis. The ROC analysis revealed improvements in sensitivity, specificity, and the area under the ROC curve (AUROC) for both ΔR and h° parameters after bleaching. Particularly, the sensitivity of the ΔR increased significantly from 0.79 to 0.90 five minutes after bleaching, and the AUROC of h° also showed a sharp improvement from 0.69 to 0.93. After bleaching, all BF parameters exhibited high validity of 0.83 or higher in distinguishing cariogenic discoloration. In conclusion, the application of BF-bleaching to discolored pit and fissure areas led to a BF color change, confirming the removal of organic stains due to bleaching. In contrast, the red BF of cariogenic discoloration persisted even after bleaching. Particularly, the ability to distinguish cariogenic discoloration using ΔR and h° parameters notably improved five minutes after bleaching, effectively demonstrating high validity post-bleaching. Therefore, BF-bleaching is expected to be a promising method for objectively distinguishing cariogenic discoloration and monitoring caries lesions in clinical settings.

치아 교합면은 좁고 깊은 소와 열구를 가지고 있어 착색 물질이 부착하기 용이하며 치면세균막 등의 이물질 축적되기 쉽다. 교합면의 복잡한 해부학적 구조로 인하여 소와 열구로부터 외부 축적 물질을 제거하는 것은 어려우며, 이로 인해 교합면 우식이 발생하기 쉽다. 이 과정에서 탈회된 다공성 구조에 미생물과 함께 착색 물질의 발색단이 침투하면 갈색 또는 검은색 불투과성의 우식성 변색으로 진행된다. 소와 열구의 변색은 교합면 우식의 진단 결정에 영향을 미치는 요소 중 하나이며, 우식 여부를 판단하는 핵심적인 요인이다. 하지만 임상 현장에서 치과의사가 우식 과정에서 발생한 변색과 식품 색소와 같은 유기물에서 기인한 착색을 구분하는 것은 어렵다. 또한 교합면 우식의 진단 기준으로 변색을 사용하는 것은 여전히 논쟁의 여지가 있다. 치의학 분야에서 사용되고 있는 생체형광(BF) 기술은 단파장의 푸른색 가시광선을 치아에 조사하였을 때 발현되는 BF를 시각화하고 정량화하여 구강의 병적 상태를 평가한다. 치아 조직에서 발생하는 무기질 및 구조의 변화는 녹색 BF 강도 차이로, 구강 미생물의 대사 관련 병적 상태는 붉은 BF 강도로 확인할 수 있다. 실제로 BF를 사용하여 교합면의 우식성 변색을 구분하려는 노력은 있었다. 하지만 변색은 치아 표면을 마스킹하여 빛을 흡수하거나 산란시키기 때문에 변색된 교합면의 BF를 평가하는 것은 제한적이었다. 따라서 본 연구에서는 치아 미백 전후 변색된 소와 열구의 BF 색 변화를 확인하고, 우식성 변색 치아로부터 유기 착색을 제거한 뒤 교합면 우식을 탐지하는 방법으로서 BF-bleaching을 제안하고자 하였다. 본 연구는 크게 두 가지 실험으로 진행되었다. 첫 번째 연구는 우식성 변색을 모사한 simulation model에 BF-bleaching을 적용한 뒤 BF 색 변화를 비교하여 우식성 변색을 구분하고자 하였다. 두 번째 연구는 발치 치아의 변색 소와 열구에 BF-bleaching을 적용한 뒤 BF 색 변수들의 변화를 확인하고, 이를 통해 BF 색 변수들의 우식성 변색 구분 능력을 평가하고자 하였다. 첫 번째 연구에서는 우전치를 사용하여 우식성 변색에서 관찰되는 BF를 재현하여 평가하고자 착색 처치를 하지 않은 병소(NS), 유기 착색(OS), 우식성 변색(CS) 병소를 제작하였다. 착색을 제거하기 위해 미백 처치를 하였고, BF의 변화를 형광학적, 초분광학적으로 평가하였다. 미백으로 인해 착색이 제거될수록 병소의 BF는 밝아지는 경향을 보였지만, CS 군의 BF h°은 붉은색 영역(345°‒15°)을 유지하였고, BF spectrum에서 붉은색 영역(620‒780 nm)의 두번째 방출 peak도 명확하게 남아있었다. 반면 OS 군의 BF는 미백 후 주황(15°‒45°)에서 노랑(45°‒75°)으로의 뚜렷한 색조 변화가 있었지만, BF spectrum에서 붉은 영역의 두번째 방출 peak는 없었다. 두 번째 연구에서는 변색된 소와 열구가 존재하는 발치 치아에 미백을 적용하였고, BF의 색 변화를 개별적인 소와 열구 분석 단위로 평가하였다. 조직학적 평가 결과를 기반으로, 정상 부위인 비우식성 변색(Sound)과 우식성 변색(CD)을 구분하였다. 추가적으로 미백 전 BF 이미지의 교합면에서 관찰되는 붉은 BF의 존재 여부에 따라 우식성 변색을 더 상세하게 분류하였고, 이루 붉은 BF를 동반한 우식성 변색(RF)과 붉은 BF가 관찰되지 않는 우식성 변색(Non-RF)으로 구분하였다. 미백 전 Sound, Non-RF, RF 군의 붉은 BF 강도(ΔR)는 유의한 차이를 보였으나, 미백 5분 후에는 Non-RF와 RF 군의 ΔR 값이 유사하였다. 미백 후 BF h°은 RF 군에서 붉은색 영역, Sound 군에서 주황색 영역을 유지하였고, 미백 시간이 지날수록 증가하였다. 반면 Non-RF 군의 h°는 미백 후 감소하였고, 색 영역은 주황에서 붉은색으로 이동하였다. 미백 전 붉은 BF가 관찰되지 않는 Sound와 Non-RF 군을 BF 변수가 구분하는 능력을 receiver operating characteristic (ROC) 분석을 통해 확인하였다. ROC 분석 결과, 미백 후 ΔR과 h° 변수의 민감도, 특이도, ROC 곡선 아래 영역(AUROC) 모두 향상된 것을 확인하였다. 특히 미백 5분 뒤 ΔR 변수의 민감도는 0.79에서 0.90으로 상당히 증가하였고, h° 변수 역시 AUROC가 0.69에서 0.93으로 급격한 향상을 보였다. 미백 후 BF 변수 모두 0.83 이상의 높은 타당도로 우식성 변색을 구분할 수 있었다. 결론적으로 변색된 소와 열구에 BF-bleaching을 적용하면 BF의 색이 변화하며, 이를 통해 유기 착색이 미백으로 인해 제거되는 것을 확인하였다. 반면 우식성 변색은 미백 후 붉은 색조 영역이 유지되었다. 붉은 BF 강도와 BF 색조 각은 특히 미백 처치 5분 뒤 우식성 변색의 구분 능력이 향상되었다. BF 변수 모두 미백 후 높은 타당도로 우식성 변색을 구분하였다. 따라서 BF-bleaching은 임상에서 우식성 변색을 객관적으로 구분하고 우식 병소를 추적 관찰하는데 유망한 방법으로 활용 가능할 것이다.