KR20100126903A - 광학적 방법에 의한 초기 치아우식증의 진단 기술 - Google Patents
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Abstract
치아우식증의 진행 상태를 정량적으로 측정하기 위한 여러 방법들이 있으나 물리화학적인 자극이 가해질 수 있고 고가의 방법들로써 효율성 향상을 위해 광학분석방법을 이용한 본 발명을 완성 하였다. 초기 치아우식증에 의한 치아표면의 변화에 따른 형광방출 특성과 물리적인 표면경도 값을 측정하여 그 변화를 측정 비교하고 표면 경도와 정량분석결과의 상호 연관성을 제시할 수 있어 우식증의 진행상황에 따른 치아 표면에 있어 탈회와 재석회화정도를 비교할 수 있는 방법으로써 보다 상세하게는 비커스 (VHN) 경도와 특정 조명하에서 CIE L * , a * , b * , C * ab 및 h o 값을 측정하는 광학적 특성의 상관관계를 비교하여 우식증에 의한 치아의 상태를 정량적으로 분석할 수 있는 방법으로써 치아의 다양한 표면 또는 초기 우식증에 대한 치료용 약물의 효과를 순차적으로 측정하고 응용할 수 있는 방법이라 할 수 있다.
치아우식증 진단, 치아표면 분석, 광학적 분석, 정량적 분석, 표면 경도
Description
본 발명은 광학적 분석기술과 치과 검진 기술을 접목시킴으로써 초기 우식증의 진행 정도를 정량적으로 평가할 수 있는 방법이다.
본 발명은 광학적인 방법에 의한 초기 치아우식증의 진단 기술로써 우식에 의한 치아 표면의 상태에 따라 달라지는 산란계수를 이용하여 방사되는 반사식 분광광도계로 측정한 스펙트럼을 분석하여 치아우식증의 진행 상황을 정량적으로 모니터링 할 수 있는 방법을 제공한다. 구체적으로 설명하면 치아의 색상은 여러 환경적 요인에 의해 결정되며 내적인 요인으로는 법랑질 및 상아질에 의한 광 산란 및 흡수가 있다[ten Bosch 등, 1995]. 물체가 흰색으로 보이지 않는 주 이유는 빛이 통과하면서 흡수되는 현상에 의하여 나타나는바 빛이 흡수 되는 정도는 통과하는 거리 및 치아의 흡수계수에 의하여 결정된다[ten Bosch 등, 1995; Watts 등, 2001]. 파장에 따라서 서로 다르게 나타나는 산란정도 역시 이 과정에 중요한 역할을 하는 바 빛의 경로는 산란에 의하여 결정되므로 치아의 색상과 산란계수 사이에 상관관계가 존재 한다고 할 수 있다[Ko 등, 2000]. 따라서 산란정도를 치아 표면의 광물 함량과 연관하여 탈회 정도 및 치아의 표면 경도 등의 물리적인 측정을 산란계수의 변화에 따른 광학적인 측정방법으로 가능하게 함으로써 치아우식증의 진행상황을 정량적인 모니터링을 가능하게 할 수 있는 광학적인 방법에 의한 초기 치아우식증의 진단 방법을 제공 할 수 있다.
인체의 각종 질환에 관련한 검사방법은 시대가 변함에 따라 끊임없이 발전하고 있으며, 최근에는 관련 분야에 첨단 영상기술을 접목시켜 조직에 대해 3차원 영상화 기술을 적용하고자 하는 방향으로 전문화를 모색하고 있다. 보편적이며, 오래된 방법인 방사선 검사방법이나 현미경을 이용한 검사방법들은 비교적 단순한 검사기법 및 결과의 재연성과 그 정확성에 힘입어 사용처와 필요성이 꾸준히 증가되고 있는 것이 현실이다. 최근에는 검진이 어려운 인체의 특정 부위들에 대한 상기 방법들을 적용 시켜 보고자 많은 노력들이 있으나 장비의 크기 및 물리적인 접촉과 더불어 화학약품 등의 처리로 말미암아 적용 부위 및 분야에 있어 한계를 나타내고 있는 실정이다. 특히 치과분야에 있어 구강 내 검진은 여러 약품 등에 민감하면서 물리적 충격 등에 따르는 부작용 때문에 안전한 조건에서 검사가 진행 되어야 하는바 적당한 검사방법의 확립이 매우 필요한 시점이다. 특히 우식증 등을 비롯하여 각종 치아관련 질환들은 꾸준히 늘어나고 있는 바 그 이유는 치아에 관한 예방적 측면의 건강검진이 아직은 활성화 되어 있지 않으며, 치아의 검진방법이 아직은 초보적인 수준으로써 질적인 문제와 더불어 예방검진의 활성화에 커다란 걸림돌로 제기되어 오고 있다.
최근 광학적 방법을 도입하여 치아우식증의 상태를 검사하려는 시도가 있어왔다. 예컨데 Quantitative light-induced fluorescence(QLF) 방법으로 측정한 법랑질의 광학적 특성을 Monte Carlo 방법으로 simulation한 결과 초기 우식 부위에서 QLF 값이 감소하는 이유는 빛의 산란에 의하여 나타난다고 하는 사실을 확인하였다[van der Veen 등, 2002]. QLF 측정방법에서는 파장이 404 nm 정도의 non-coherent light를 조사하는데 그 결과 520 nm의 범위에서 황색-오렌지색의 형광이 방출되며 이를 측정하게 된다[Angmar-Mansson 등, 2001]. 그러나 현 시점에서도 우식증의 진행 상태를 적절하게 임상적으로 감지하고 정량화 할 수 없다는 사실은 여전히 문제가 되고 있다. 따라서 광학적 분석을 통한다면 환자로부터 거부감 없이 정량적으로 측정 할 수 있을 것으로 본 발명에서 고안하였으며, 치아표면의 석회화 및 탈회 정도 등 우식증의 진행상황을 물리적인 방법이 아닌 산란계수의 변화를 이용하여 광학적 분석 방법으로 정확하게 측정하고 현재의 치아 상태 및 향후 예측을 가능하게 하여 기존 문제점을 최대한 해결할 수 있는 광학적 방법에 의한 치아우식증의 진단 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 치아의 석회화 및 탈회 정도와 표면 상태를 산란계수의 변화를 이용하여 광학적 분석 방법으로 치아우식증의 진행상황을 정량적으로 모니터링하고 현재의 치아 상태 및 향후 예측을 가능하게 할 수 있는 광학적인 방법에 의한 초기 치아우식증의 진단 기술을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위해 우식증에 있어 치아표면의 상태에 따른 광학적 특성의 변화를 측정하는 최적의 조건을 찾아내어 정량분석을 할 경우 기존의 자료에서는 제공해 주지 못한 탈회 및 재석회화도 변화 등의 정량분석이 가능하며, 3차원 표면형상분석기를 이용하여 이러한 우식증의 진행도에 따른 형상의 변화를 정량적으로 측정하는 방법을 적용 할 수 있는 광학적인 방법에 의한 초기 치아우식증의 진단 기술을 제공하는 것이다.
우식증에 의한 탈회 등 치아표면의 상태에 따른 형광방출 특성을 측정하여 질환의 진행도에 따라 그 변화를 측정 비교하고 정량분석결과들의 상호 연관성을 제시할 수 있어 치아 표면에 있어 탈회와 재석회화 정도를 비교할 수 있는 방법으로써 보다 상세하게는 비커스 경도(VHN)값을 기준 값으로 하여 우식증에 의한 치아 표면상태의 변화를 객관적으로 평가할 수 있는 새로운 지표들을 탐색하고, 광학적 특성은 시편을 변형시키거나 파괴하지 않고 치아의 다양한 표면 또는 치료용 약물의 효과를 순차적으로 측정할 수 있는 방법으로 이들 지수의 정확도를 측정을 통하여 본 발명을 완성 하였다.
여러 가지 요인들 중 우식증으로 인하여 치아표면의 거칠기나 형상 및 색상에 변화가 오게 되며, 그 변화로 말미암아 우식증에 대한 정량적인 진행 정도와 더불어 향후 질환의 예측이 가능할 것이다. 본 발명은 기존의 연구에서 밝혀내지 못한 여러 가지 초기 우식증의 질환양상을 밝혀줄 것으로 기대한다. 또한 치아의 초기질환에 따른 색상의 변화나 또는 착색용액에 의한 착색정도의 변화를 측정하여 초기질환을 평가할 수 있는 다양한 정량적인 방법으로 사용 될 것이다. 더불어 기존 치아검진의 거부감등의 문제점을 해결할 수 있는 매우 경제적이고 효율적인 방법을 제공하고자 한다.
본 발명을 완성하기 위해 구강 내에서 일어나고 있는 치아 우식 병소 형성과 유사한 현상을 재현 하고자 구강 내에서 일어나는 탈회(demineralization)와 재석회화(remineralization) 과정을 통해, 일정수준의 탈회와 재석회화를 유도하고 궁극적으로는 초기우식병소와 같은 치질의 변화를 유도하는 한다. 대부분의 연구에서 탈회 용액은 pH 4의 용액을 사용하고, 재석회화는 pH 7의 용액에 일정시간 동안 담가두어 치면에서의 광질 이탈과 재침착을 유도하게 된다.
이렇게 우식이 진행된 42 개의 치아를 대상으로 비커스 경도는 미세경도기(HMV-2, Shimadzu, Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하며, 우식증에 의한 치아 표면의 색 상은 반사식 분광광도계(Color-Eye 7000A, GretagMacbeth Instruments Corp., New Windsor, NY, USA)를 이용하여 CIELAB 방식으로 표준광원 D65에 대하여 측정한다. 색상을 측정할 때에는 Zero calibration box (Zero Calibration Standard, GretagMacbeth Instruments Corp.)를 이용하여 외부 광선을 차단한 조건에서 측정하도록 한다. 자외선 필터의 위치는 100% 또는 0% 자외선을 포함하는 조건으로 하여 형광방출량을 측정할 수 있도록 하며, CIE L * , a * , b * , C * ab 및 h o 값을 측정하도록 한다.
CIELAB 색상계에서 CIE L * 값은 물체의 명도를 의미하며 완전한 검정색은 CIE L * 값이 0이고 빛을 완전히 반사하는 물체는 CIE L * 값이 100이다. CIE a * 값은 적색과 녹색의 지수이며 CIE b * 값은 황색과 청색의 지수이다. 채도는 C * ab = (a *2 + b *2 )1/2의 식으로 구하였으며 색상각은 h o = arctan (b * /a * )의 식으로 구한다[CIE, 1996]. 치아의 형광방출정도 델타(E * ab -FL)는 표준광원 D65의 자외선을 제거한 조건과 자외선을 모두 포함한 조건에서 측정한 색상간의 차이(E * ab )를 의미하며 델타 E * ab -FL = [(델타L * )2 + (델타a * )2 + (델타 b * )2 ]1/2의 식으로 구한다. 위 식에서 델타L * 은 자외선이 0% 포함된 조건과 100% 포함된 조건에서 측정한 CIE L * 값의 차이를 의미한 다. YI는 황색지수[ASTM E313-73]이며 WI는 백색지수[CIE Ganz 82]이다. YI는 색차계 또는 분광분석기로 측정한 값을 이용하여 계산하는데 물체의 색상이 무채색 또는 표준 백색에서부터 황색으로 움직인 정도를 의미한다. 음의 값은 색이 청색 방향으로 움직인 정도를 의미한다. WI도 동일한 방법으로 측정하는데 물체의 색이 표준 백색으로부터 떨어진 정도를 의미한다. 이러한 지수들은 동일한 재질 및 동일한 모양을 가진 물체의 색을 비교할 때에만 사용하여야 한다[ASTM E313-05]. 델타YI 와 델타WI 를 계산하였는데 이 값들은 물체가 형광을 방출하는지를 평가하는 지표로 추천되고 있다. 여기에 추가적으로 Confocal laser microscopy(CLSM: LSM 5 Pascal, Carl Zeiss)를 이용하여 부가적인 변수를 시험했다.
CLSM을 이용하여 측정할 수 있는 지수로는 표면조도 및 형광염료(Rhodamine B)를 이용하여 침투한 깊이를 측정하는 방법이 있다. 표면조도는 우식 전(도 1), 도 2 (우식 후) 및 도 3 (우식 후 재광화 후)에서 보이는 바와 같이 우식이 진행되면 표면조도가 증가하는 것을 확인할 수 있었으나 이렇게 측정된 광학적 측정치와 표면 경도치를 비교하교 그 상관성을 본 발명을 통하여 확인하였다.
이하 실시 예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시 예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명이 이들 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
실시 예 1본 발명에 의한 광학적 방법에 의한 치아우식증의 진단 방법1
소의 발거한 중절치를 0.01% sodium azide(Sigma, St. Louis, MO, USA) 용액에 보관한 후 탈회 용액에 6 시간 동안, 재석회화용액에 18 시간 동안 침지하게 되는 데 탈회용액과 재석회화용액의 조성 비율은 다음과 같았다. 탈회 용액은 2.0 mmol/l CaCl2, 2.0 mmol/l KH2PO4와 75 mmol/l acetate로 제조하였고, 재석회화용액은 1.2 mmol/l CaCl2, 0.72 mmol/l KH2PO4 , 30 mmol/l KCL과 50 mmol/l HEPES buffer(pH 7.0)를 이용하여 인공우식병소를 형성하였으며, 이렇게 우식이 진행된 42 개의 치아를 대상으로 다음과 같이 연구를 수행하였다. 치아의 중앙부위를 직경 8 mm의 속이 빈 드릴로 떼어 내었다. 떼어낸 치아 조각을 레진 블록(20 x 20 mm 아크릴레진 블록, 중앙에 직경 10 mm의 hole 형성) 내에 화학중합형 아크릴레진으로 포매하여 치아의 순면이 노출되게 하였다. 그 후 노출된 치면을 연마기(The LaboSystem, Struers, Ballerup, Denmark)를 이용하여 2,000 번 사포까지 순차적으로 연마하여 평평한 법랑질 표면이 노출되도록 하였다.
비커스 경도와 반사식 분광광도계를 이용하여 CIELAB 방식으로 표준광원 D65에 대하여 측정하였다. 각 시편을 3 회씩 반복하여 측정하였으며, 이때 측정구의 크기는 3 x 8 mm이었고 광조사 및 관찰 조건은 CIE diffuse/8o 이었으며 정반사광 제거(SCE) 방식으로 측정하였다[CIE, 2004]. 색상을 측정할 때에는 zero calibration box (Zero Calibration Standard, GretagMacbeth Instruments Corp.)를 이용하였으며, 외부 광선을 차단한 조건에서 자외선 필터의 위치는 100% 또는 0% 자외선을 포함하는 조건으로 하여 CIE L * , a * , b * , C * ab 및 h o 값을 측정하였다.
또한 DD-wet 및 DD-dry는 laser-induced infrared fluorescence (DIAGNOdent 2095, KaVo Dental GmbH, Biberach, Germany) 값을 습윤 조건 및 건조한 조건에서 측정한 것이다. 습윤 조건에서 측정은 물에 침지한 시편을 측정 직전에 흡습지로 닦은 후 측정하였으며 건조 조건에서의 측정은 시편을 37도 건조 오븐에 24 시간동안 건조한 후 측정하였다. 델타DD (dry-wet)는 습윤 조건에서 측정한 값과 건조 조건에서 측정한 값 사이의 차이이다.
Ra 값은 um 단위로 측정한 평균표면조도를 의미하며 surface profilometer(Surtronic 3P, Taylor-Hobson, Leicester, England)를 이용하여 측정하였는데 시편의 표면이 고르게 연마되었는지 확인하기 위하여 측정하였다. 3 mm의 측정거리에서 cutoff 값을 0.8 mm로 하여 10 회 반복 측정하였다. 측정 전에 Ra 값이 6.07 um인 표준 블록을 이용하여 기계를 점검하였다.
42 개 치아에서 측정한 변수들의 평균, 표준편차(SD) 및 분산계수(CV)를 구하였다. CV는 측정 값들의 분산정도를 의미하며 표준편차를 평균값으로 나누어서 계산한다. 각 지수 쌍 사이의 피어슨 상관계수를 구하였는데(SPSS 12.0, SPSS, Chicago, IL, USA, a=0.05), 이때 VHN을 기준 값으로 하였다.
우식 이전의 건전한 치아의 표면을 CLSM으로 측정하여, 3D로 변환한 것이다. 도 1에서 보는 바와 같이 표면이 매끈하다. 탈회 후 치아의 CLSM 사진을 보면 위의 도 1에서 보았던 것과는 달리 0 - 50 um에서 다른 범위보다 아래로 꺼져있다[도 2]. 탈회 하고 재광화한 후 치아의 CLSM 사진이 예상과 달리 도 3에서는 더 많이 탈회가 진행되었다. 이는 광질이 이탈하여 탈회가 된 시편에서 시편의 표면뿐만 아니라 더 많은 분석이 필요함을 시사한다.
표 1. 탈회 및 재광화한 치아의 우식이전 및 우식 이후의 평균 및 편차
| 우식 이전 | 우식 및 재광화 후 | Difference* | |
| CIE L * | 68.2 (2.7) | 84.4 (3.8) | ** |
| CIE a * | -0.8(0.6) | -0.3(0.6) | ** |
| CIE b * | 2.1(2.6) | 4.2(4.3) | ** |
| C * ab | 2.7(2.2) | 4.7(3.8) | ** |
| h o | 229.6(112.8) | 203.4(105.4) | |
| 델타E * ab -FL | 2.0(1.2) | 2.6(2.3) | |
| YI | 13.0(4.5) | 0.4(68.4) | |
| 델타 YI | -1.0(1.9) | 66.6(49.8) | ** |
| WI | 25.5(15.2) | 44.3(20.6) | ** |
| 델타WI | 3.7(6.1) | 22.3(55.8) | * |
| VHN | 368.7(92.9) | 50.4(58.7) | ** |
*: Difference based on paired t-test. * indicates significant different at the level of 0.05 and ** indicates significant different at the level of 0.01
본 발명에 따르면 표1 및 도1과 2 그리고 3에서 우식증에 의한 몇 가지 광학지수간 유의한 상관관계를 보였으며, 이는 우식증의 진행도를 광학적인 방법으로 수치화 시킬 수 있는 방법임을 확인 할 수 있다.
[참고문헌]
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CIE(Commission Internationale de clairage): Colorimetry - Technical Report. CIE Pub. No.15, 3rd Ed. Vienna, Austria: Bureau Central de la CIE, 2004. pp 35-36.
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Watts A, Addy M: Tooth discolouration and staining: a review of the literature. Br Dent J 2001;190:309-316.
우식증에 의해 치아의 표면 상태에 따른 색상의 변화나 또는 착색용액에 의한 착색정도의 변화를 측정하여 치아의 초기질환으로부터 우식증의 진행도를 평가할 수 있는 정량적인 방법으로 사용됨으로써 여러 가지 물리화학적인 방법을 대체할 수 있을 것이며, 또한 기존 고가장비를 사용하던 방식에서 벗어날 수 있으므로 장비 및 관련 시약들의 수입대체 효과와 더불어 빠른 시간 내에 정량적이고 정확한 결과를 얻을 수 있는 경제성까지 갖추고 있다. 따라서 본 발명은 우식증의 진행상황 등을 정량적이고 신속하게 분석할 수 있는 매우 경제적이고 효율적인 방법으로써 치과분야에 있어 광범위하게 사용이 가능한 광학적 방법에 의한 초기 치아우식증의 진단 기술을 제공하고자 한다.
도 1은 우식 이전 치아의 CLSM 사진.
도 2는 탈회 후 치아의 CLSM 사진.
도 3은 탈회하고 재광화한 후 치아의 CLSM 사진.
Claims (4)
- 본 발명은 치아우식증에 의한 치아 표면변화의 분석에 있어 치아표면경도와 광학적 특성 지수들의 상관관계를 비교하여 광학적 분석만으로 우식증의 진행도를 정량적으로 모니터링 할 수 있는 광학적 방법에 의한 초기 치아우식증의 진단 기술을 제공 한다.
- 청구 제 1항에 있어 치아표면경도의 측정은 비커스 (VHN) 경도를 측정함을 특징으로 하는 광학적 방법에 의한 초기 치아우식증의 진단 기술.
- 청구 제 1항에 있어 치아표면의 광학적 특성은 외부 광선을 차단한 조건에서 자외선 필터의 위치는 100% 또는 0% 자외선을 포함하는 조건으로 하여 CIE L * , a * , b * , C * ab 및 h o 값을 측정하는 것은 특징으로 하는 광학적 방법에 의한 초기 치아우식증의 진단 기술.
- 치아의 표면 분석에 있어 치아의 비커스 (VHN) 경도와 외부 광선을 차단한 조건 에서 자외선 필터의 위치는 100% 또는 0% 자외선을 포함하는 조건으로 하여 CIE L * , a * , b * , C * ab 및 h o 값을 측정하는 광학적 특성의 상관관계를 비교하여 치아의 질환 정도를 정량적으로 분석할 수 있는 방법으로 청구 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 광학적 방법에 의한 초기 치아우식증의 진단 기술.
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