Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 8
1.1 Исследуемые ткани и материалы 8
1.1.1 Строение и оптические характеристики эмали 8
1.1.2 Строение и оптические характеристики дентина 13
1.1.3 Оптические характеристики зуба в целом 19
1.1.4 Светоотверждаемые композитные полимеры 23
1.2 Оптические методы исследование реставрационных материалов 31
Выводы по первой главе 40
2. Материал, методика и метрология исследования оптических характеристик эмали и дентина 43
2.1 Определение показателя преломления склерозированного дентина 43
2.1.1 Измерения при помощи рефрактометра Аббе 43
2.1.2 Измерения при помощи определения угла Брюстера 45
2.2 Оценка отклонения светового излучения в эмали и прилежащем дентине 47
2.3 Исследования рассеяния света на эмали и дентине 51
Выводы по второй главе 59
3. Материал, методика и метрология исследования оптических характеристик реставрационных материалов 61
3.1 Определение коэффициентов поглощения и рассеяния светоотверждаемых реставрационных материалов 61
3.2 Оценка, рассеяния в реставрационных материалах 66
3.3 Получение цветовых характеристик реставрационных материалов 68
Выводы по третьей главе 76
4. Материал, методика и метрология исследования оптических характеристик реставрационных материалов .77
4.1 Методика сравнения распределения светового излучения в эмали и прилежащем дентине и ресторативном фарфоре 77
4.2 Модель рассеяния в реставрационных материалах и дентине 79
Выводы по четвертой главе 87
5 Исследования 89
5.1 Определение показателя преломления склерозированного дентина 89
5.1.1 Определение показателя преломления склерозированного дентина при помощи рефрактометра Аббе 89
5.1.2 Определение показателя преломления склерозированного дентина при помощи метода Брюстера 90
5.2 Исследование рассеяния на эмали и дентине 92
5.3 Определение коэффициентов поглощения и рассеяния светоотверждаемых ресторативных материалов 97
5.4 Оценка рассеяния в ресторативных материалах 100
5.5 Получение цветовых характеристик ресторативных материалов 106
5.6 Сравнение распределения светового излучения в эмали и прилежащем дентине с распределением в ресторативном фарфоре 108
Выводы по пятой главе 111
Заключение 114
Литература .115
- Оптические методы исследование реставрационных материалов
- Оценка отклонения светового излучения в эмали и прилежащем дентине
- Получение цветовых характеристик реставрационных материалов
- Модель рассеяния в реставрационных материалах и дентине
Введение к работе
В последнее время светоотверждаемые реставрационные материалы получили широкое распространение для восстановления утраченных тканей зуба (эмали и дентина) и восстановления естественного вида зуба. Реставрационные материалы отличаются друг от друга по цветовой гамме и по мутности. Благодаря этому появилась возможность восстанавливать не только восстанавливать анатомическую форму зуба, но и эстетические параметры.
В связи с этим актуальной становится задача исследования оптических свойств эмали, дентина и светоотверждаемых реставрационных материалов с последующим сравнением их характеристик. Твердые ткани зуба, как подавляющие большинство биотканей обладают оптической анизотропией, что усложняет задачу их исследования. Кроме того, для большинства биотканей, в том числе и твердых тканей зуба, характерны возрастные и структурные изменения, которые не могут не влиять на их оптические свойства. Необходимую информацию о параметрах, влияющих на эстетику зуба и современных материалов для эстетической реставрации, могут дать методы оптического неразрушающего контроля. В последнее время в практике современной стоматологии стали использоваться приборы по контролю за эстетическими параметрами зубов (внутриротовые видеокамеры, калориметры) совместно с таблицами параметров реставрационных материалов.
Цель работы состояла в детальном изучении оптических свойств новых светоотверждаемых реставрационных материалов, с последующим сравнением их оптических свойств и эстетических параметров с твердыми тканями зуба, а также разработке методов их неразрушающего контроля.
В соответствии с поставленной целью задачами диссертационного исследования являлись:
Получение оптических постоянных светоотверждаемых реставрационных материалов (коэффициентов поглощения и рассеяния) при помощи низкоинтенсивного излучения с фиксированной длиной волны.
Построение методики изучения рассеяния в реставрационных материалах при помощи наблюдения бокового рассеяния и сопоставление картин рассеяния с оптическими характеристиками материалов.
Определение спектральных характеристик реставрационных материалов и размещение полученных данных на сфере Манселла.
Изучение картин рассеяния света на эмали и дентине в проходящем свете. Изучение
4 анизотропии рассеяния в дентине и сопоставление изменения картин рассеяния с поворотом дентинных трубочек.
Определение показателей преломления склерозированного дентина. Оценка влияния возрастных изменений на показатель преломления и эстетические параметры.
Сравнение бокового рассеяния на двухслойном фарфоре и естественном зубе, выявление области, на которой происходит наибольшее рассеяние. Разделение вкладов эмали и дентина в общую индикатрису рассеяния.
Построение моделей рассеяния для реставрационных материалов разных типов и дентина. Сопоставление результатов моделирования с оцифрованными экспериментальными распределениями.
В ходе работы были разработаны и апробированы следующие методы исследования и контроля оптических свойств светоотверждаемых реставрационных материалов и естественных зубных тканей:
Экспериментальный метод продольного зондирования исследуемого объекта коллимированным монохроматическим излучением с целью получения индикатрис рассеяния эмали и дентина.
Экспериментальный метод поперечного оптического сканирования зубных тканей лучом света образца с целью выявления анизотропии рассеяния.
Экспериментальные методы регистрации двумерных полей рассеяния оптического излучения и отклонения светового пучка при прохождении через исследуемый объект, основанные на применении ПЗС-матриц.
Экспериментальные методы исследования индикатрис рассеяния, основанные на фиксировании бокового рассеяния в образцах, освещенных монохроматическим коллимированным лазерным излучением.
Экспериментальный метод раздельного определения коэффициентов поглощения и рассеяния, основанный на применении точечного фотоприемника.
Экспериментальный метод измерения цветовых координат реставрационных материалов, основанный на измерении оптических постоянных при спектральном освещении образцов.
Методы цифровой обработки сигналов, двумерное преобразование Фурье и быстрые алгоритмы его вычисления применительно к экспериментальным данным и результатам компьютерного моделирования, методы сглаживания исходных фотографий, методы получения изофот.
Основанные на расчетных соотношениях методы обнаружения углов наклона дентинных трубочек по фиксации картин отклонения пучка света, проходящего через
5 зубную ткань и математического моделирования многократного рассеяния в дентине при помощи метода Монте-Карло.
Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов состоит в следующем:
Развита основанная на методе Монте-Карло модель расчета многократного рассеяния для случая низкоинтенсивного излучения в «полупрозрачных» и «опаковых» реставрационных материалах, а также материалах типа «режущий край», показана ее адекватность для расчета хода дентинных трубочек.
Обнаружен эффект поворота индикатрисы упругого рассеяния лазерного излучения, вследствие поворота дентинных трубочек, построены пространственные зависимости этого поворота.
Измерены оптические постоянные светоотверждаемых реставрационных материалов; созданы графики для оптимального подбора реставрационного материала по коэффициентам поглощения, рассеяния и углам расходимости излучения в материалах. Измерены цветовые координаты реставрационных материалов в цветовой системе Манселла.
Измерены показатели преломления склерозированного дентина. Статистически показано, что показатель преломления склерозированного дентина выше, чем у молодого.
Показано, что основной вклад в формирование эстетики внешнего вида зуба играет эмаль, за исключением случаев сильноминерализованной эмали, когда эмаль становится прозрачной.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Выбранная модель рассеяния в дентине и реставрационных материалах адекватно описывает пространственное перераспределение излучения оптического диапазона на реальном материале и позволяет предсказать результаты эксперимента.
Поворот индикатрисы рассеяния в дентине происходит синхронно с поворотом дентинных трубочек в поперечных сечениях и описывается в осях угол-координата асимметричными функциями пятого порядка.
Рассеяние в реставрационных «полупрозрачных» и «опаковых» материалах носит многократный характер, рассеяние в материалах режущего края носит преимущественно однократный характер.
При помощи измерения коэффициентов преломления, рассеяния и углов расходимости пучка, светоотверждаемые реставрационные материалы разбиваются на четыре группы, ориентируясь на которые можно оптимизировать процесс реставрации.
5. Исследование цветовых характеристик реставрационных материалов позволяет распределить материалы по «зонам» в результате чего видно, что материалы из одной подгруппы не только усиливают свою хроматичность, но и сдвигаются в красно-желтую область. Практическая ценность работы состоит в следующем:
Найдена однозначная связь между параметрами оптического рассеяния светоотверждаемыми реставрационными материалами и количеством частиц малого размера в составе композита. Эти данные согласуются с данными других авторов по исследованию пропускания света образцами микрофильных и гибридных композитных полимеров.
Приведенные данные об оптических свойствах реставрационных материалов различных типов могут использоваться для подбора реставрационных материалов и их сочетаний, на основе сравнения с информацией о оптических свойствах тканей реставрируемого зуба.
Построенная модель оптического рассеяния в светоотверждаемых реставрационных материалах и дентине позволяет предсказать параметры оптического рассеяния в зависимости от характеристик образца для целей моделирования эстетики зуба. Структура диссертационной работы отражает весь круг задач, решенных в ходе
данного исследования
Оптические методы исследование реставрационных материалов
В литературных источниках описано множество экспериментов по исследованию реставрационных материалов, где исследовались параметры, влияющие на оптические характеристики реставрационных материалов. В работе [152] исследовали зависимость интенсивности рассеяния света от характеристик кварцевого наполнителя полиметил метакрилатной матрицы. В различных исследуемых образцах модельного композита размер частиц составлял: 3.3, 3.9, 9.2, 15 мкм. При этом концентрация наполнителя для каждого его вида варьировалась в пределах от 5 до 20 % в весе. В результате была установлена линейная зависимость между интенсивностью и рассеяния и концентрацией наполнителя, также было показано, что интенсивность светорассеяния возрастает с уменьшением частиц наполнителя, что является логичным следствием из теории рассеяния, поскольку размеры частиц, применямых в качестве наполнителя, сравнимы с длиной волны света в видимом диапазоне.
В работе H.Suzuki et al. [153] исследовали характеристики пропускания и рассеяния света на экспериментальных светоотверждаемым К с меняющимся составом органической матрицы и неорганического наполнителя. Органическую матрицу приготавливали из смеси смол TEGDMA/Bis-GMA в пропорциях 100/0, 90/10, 80/20, 70/30, 60/40, 50/50. 40/60, 30/70, 20/80, 10/90, 0/100. При этом показатель преломления (л) полимерной композиции линейно увеличивался от 1.46 до 1.55. Неорганический наполнитель представлял собой SiCh, модифицированную введением 3, 5, 7, 10, 15, 20% ТЮг, т.е. титанокварцевое стекло, полученное при помощи sol-gel процесса. Изменение процентно-весового отношения TiCVSiCb от 0/100 до 20/80 вело к изменению п от 1.46 до 1.53. Наполнение матрицы 40/60 - TEGDMA/Bis-GMA ( п = 1.52 ), чистой окисью кремния (и = 1.46) приводило к получению мутного композита, наполнение той же матрицы смол ТЮг/БЮг стеклом с содержанием 15% ТіОг (и = 1.52) приводило к получению прозрачного композита. Эффект был обусловлен наличием или отсутствуем рассеяния на неоднородностях с различным показателем преломления.
Полупрозрачность КП влияет не только на их эстетические характеристики, но и на глубину полимеризации, что важно при их клиническом применении [154]. М. Kawaguchi et al. [147] оценивал коэффициент пропускания полимеризующего излучения и связанную с ним глубину полимеризации на восьми коммерческих композитах. В работе изучался один микронаполненный композит (Silux Plus), пять гибридных К (Clearfil Photo Posterior, Photo Clearfil A, P-50, Opalux, Occlusin) и два тонконаполненных К (Palfique Light, Palfique Estelite). Изменение глубины полимеризации проводили на основе оценки износоустойчивости согласно тесту ISO №4049. Коэффициент пропускания (/с) рассчитывался по экспоненциальной формуле: где I0 и I - интенсивности падающего света и света прошедшего через исследуемый образец, а / - толщина образца. Интенсивность падающего и прошедшего света измеряли стандартным радиометром, предназначенным для измерения светового потока источников полимеризующего излучения. В исследовании было установлено, что коэффициент пропускания К изменялся в переделах 0.263 - 0.042 и зависел от оттенка и мутности материала (следовательно и от поглощения и рассеяния в нем). У каждой марки материала, за исключением Р-50, глубина отверждения и коэффициент пропускания самых светлых оттенков был значительно выше, чем у других оттенков. Опаковые оттенки материалов в целом показали меньший коэффициент пропускания по сравнению с полупрозрачными оттенками. Рассчитанные коэффициенты корреляции между глубиной полимеризации и коэффициентом пропускания составили для Р-50 - 0.801, а для остальных от 0.940 (Silux Plus) до 0.996 (Opalux). Таким образом была установлена корреляционная зависимость между пропусканием света через К и глубиной его отверждения. Кроме того, было показано, что полупрозрачные светлые оттенки микронаполненного композита (Silux Plus) имеют наименьший коэффициент пропускания, и, как следствие, наименьшую глубину полимеризации для всех оттенков. Композиты можно рассматривать как дисперсные системы, рассеяние света которыми описывается уравнением Рэлея: где / - интенсивность светорассеяния, 10 - интенсивность падающего излучения, v - объем частиц наполнителя, v - концентрация частиц наполнителя, и, - показатель преломления частиц наполнителя, и0 - показатель преломления матрицы, Я - длина волны падающего излучения. Из приведенной формулы видно, что интенсивность светорассеяния прямо пропорционально зависит от разности квадратов показателей преломления матрицы и наполнителя, что хорошо демонстрируется в работе Н. Suzuki et al. [155], концентрации частиц наполнителя и их объему и обратно пропорциональна длине волны падающего излучения. При этом линейный характер прямой зависимости светорассеяния от концентрации частиц в дисперсной системе сохраняется только при размере частиц меньше — [156]. Обратная зависимость рассеяния света от его Я4 объясняет низкую величину пропускания и относительно малую глубину полимеризации для КП, отверждаемых УФ-светом, по сравнению с КП, отверждаемыми видимым светом [157]. Из теории рассеянии света в дисперсных системах следует, что наибольшим Я рассеянием обладают композиты с размерами частиц наполнителя — [158]. Учитывая, что применяемые в клинической практике источники имеют максимум спектральной кривой между 450 и 500 нм [159-161], размер частиц наполнителя с максимальной рассеивающей способностью должен быть около 0.25 мкм [147]. В действительности, у микронаполненных К основная масса частиц имеет гораздо меньший размер [162]. Поэтому было сделано предположение, что сильное рассеяние света в микронаполненных К может происходить за счет агломерации частиц наполнителя в более крупные образования, причем скопления частиц могут иметь фрактальный характер [147]. При размере частиц больше длины волны увеличение их размера приводит к уменьшению рассеяния и увеличению прозрачности материала [152].
Оценка отклонения светового излучения в эмали и прилежащем дентине
Во время всех экспериментов оптическая ось световода проецировалась на середину вестибулярной или оральной поверхности коронки зуба. Микрометрическая прецизионная подвижка была предназначена для точного воспроизведения положения центра освещающего пучка лампы при смещениях или смене образцов, замене светофильтров или юстировке оптической схемы. Спектральные светофильтры позволяли менять спектральный состав падающего излучения и корректировать сдвинутую в ИК-область спектральную чувствительность регистрирующего тракта, приближая ее к визуальному восприятию исследуемых объектов.
Световодные насадки представляли собой регулярные световоды большого диаметра(первая насадка диаметром 6.5 мм, а вторая насадка - 16 мм) и переносили практически без искажений световое поле на входе в плоскость выходного торца. При этом, согласованная с конструктивом лампы насадка поворачивала ось оптической схемы на 30 градусов. Первая насадка - световод галогеновой лампы состоял - из спеченных волокон, уложенных в стандартную гексагональную упаковку. Насадка видеокамеры имела декартовую (прямоугольную структуру упаковки световодных волокон, сопряженную со структурой элементарных фоточувствительных ячеек ПЗС-матрицы (которые впоследствии соответствовали пикселам цифровой фотографии) и укреплялись непосредственно на ее микросхеме. Такая конструкция блока регистрации устраняла необходимость промежуточных оптических систем и позволяла минимизировать вносимые оптической системой геометрические искажения. Кроме того, удалось избежать потерь излучения, отклоняющегося внутри образца на большие углы. Пространственное разрешение данной системы регистрации практически совпадало с дискретностью ПЗС-матрицы.
Размеры рабочего окна насадки составляли: продольный - 6.4 мм, поперечный -4.8 мм (640 х 480 пикселей). Распил зуба ориентировали таким образом, чтобы ось зуба ориентировали таким образом, чтобы ось зуба совпадала с продольным размером окна насадки, а само окно захватывало область от эмали жевательной поверхности до проекции дна полости зуба.
На рисунке 2.26 приведены изофоты двух случаев: в первом случае нулевой пучок фотографировался через светофильтр, а во втором случае свет дополнительно проходил через образец. Под каждым из вариантов установки приведены изофоты характерные для данного измерения. Серым цветом выделены области наибольшей интенсивности. Цифрами обозначены: 1 - ось световода, 2 - направление, по которому должен был отклониться пучек света при условии отсутствия анизотропии (как в призме), 3 -направление, по которому реально распространялся свет в зубе. Полученные изображения записывались в цифровой файл (Рис. 2.3) и переводились в матричный вид. В полученной двумерной матрице при помощи несложного математического алгоритма находился максимальный элемент, который соответствовал максимальной интенсивности света, прошедшего через образец. Затем выделялась строка данных, соответствующая продольной координате на цифровой фотографии таким образом, чтобы максимальный элемент из двумерной матрицы данных содержался в этой строке. По полученным данным было возможно построить графики по точкам в координатах і(х), в которых / была отнормирована на теоретически максимально возможное значение - 255. Одним из способов обработки последовательности цифровых фотографий может явится построение изофот картин, например по уровням 50, 100, 150 по интенсивности при помощи пакета Aldus PhotoSyler 2 с последующим нахождением среднестатистического отклонения максимума интенсивности от центра картины. Вначале был заснят нулевой пучок. На фотографии нулевого пучка отчетливо видно, что при прохождении излучения через светофильтры не происходит изменение волнового фронта, и серьезные помехи отсутствуют. Для наблюдения возможных эффектов отклонения светового пучка от их первоначального направления, необходимо было произвести калибровку чувствительности ПЗС-матрицы. Для этого применялся набор светофильтров, соответсвовающих ГОСТ 9411-75. Для проверки были использованы светофильтры -НС1, НС2, НСЗ, НС6, НС7, НС8, НС9, НСЮ, НС11, НС12, входящие в стандартньш набор светофильтров, имеющие показатели поглощения fia - 0.07, 0.24, 0.47, 0.06, 0.12, 0.27, 0.55,0.90,1.80, 3.30 мм-1.
Для проверки линейности сигнала нужно было проделать следующие операции: Получить цифровые фотографии света, проходящего через светофильтры, перевести изображения в двумерные целочисленные массивы, найти сумму всех элементов матрицы, которая будет соответствовать интегральной засветке матрицы. Значит, если ПЗС-камера работает в линейном режиме, то интегральная засветка будет уменьшаться в соответствии с законом Бугера. Зная толщину светофильтров и коэффициенты поглощения для них, можно рассчитать и теоретическое ослабление излучения, после чего сравнить со значениями, полученными на практике. Значения интегральных интенсивности заносились в таблицу и сравнивались.
Аналогичный тестовый эксперимент проводился и в случае, если на насадке ПЗС-камеры крепился образец зубной ткани и на него направлялся пучок света предварительно проходящего через различные светофильтры (Рис. 2.35). Ряд фотографий представляет фотографии одного и того же образца при различных энергиях падающего излучения. Вычислялся интегральный сигнал и сравнивался с теоретически рассчитанным. Видно, что при уменьшении энергии падающего излучения не происходит перераспределения энергии, что говорит о работоспособности метода.
Тем самым было показано, что в твердых тканях зуба происходит перераспределение светового потока таким образом, что максимум светового пучка смещается к корню. Объектом исследования был тонкий шлиф зуба толщиной 48±1 мкм, выполненный из моляра верхней челюсти зуба, удаленного по причине заболевания парадонта. Особенностью образца являлось то, что он представлял собой полноценный шлиф зуба, а не отдельные его фрагменты. Подобные эксперименты были ранее невозможны из-за того, что образец макро размеров крошился в процессе шлифовки и полировки. Процесс разрушения был обусловлен образованием высоких внутренних напряжений в процессе обработки, а даже низкие напряжения в структуре материала в сочетании с высокой анизотропией и учетом высокой хрупкостью эмали и дентина приводили к образованию трещин, сколов, а впоследствии и к полному разрушению образца. Вследствии вышеописанных повреждений образцы теряли первоначальные оптические характеристики из-за наличия в их структуре дополнительных неоднородностей или разрушались. Следовательно, возникала задача перераспределения нагрузок с тканей зуба. Одним из вариантов является помещение зуба в массив из органической смолы с последующей обработкой.
Получение цветовых характеристик реставрационных материалов
В третьей главе описаны методика и предварительные измерения оптических характеристик светоотверждаемых реставрационных материалов, представленных композитными полимерами (КП) с гибридными наполнителем. Сложностью рассмотрения КП является то, что в паспортных данных, предоставляемыми фирмой - производителем не указывается частицы каких размеров являются наполнителем и в каких соотношениях они находятся к объему полимерной матрицы. Кроме того в состав материала входят красители и специальное полимерное вещество, обволакивающие частицы наполнителя для связи между полимерной матрицей и частицой наполнителя.
В ходе предварительных измерений коэффициентов поглощения и рассения установлено, что материалы разбиваются на три основные группы, отличающиеся по снимаемому сигналу как при нахождении образца вплотную к фотоприемнику, так и приудалении образца от фотоприемника на расстояние 10 см и больше. Набольшее отличие заметно при толщинах образцов 0.5 мм, при толщинах образцов 0.2 мм эти отличия малозаметны, а при толщинах 0.9 мм заметны только если логарифмировать полученные значения. Метрологические измерения были произведены по измерению показателей поглощения стекол, табличные значения которых известны, по выбору линейного режима измерений, осуществленного при помощи поляризатора, по проверке стабильности сигнала, снимаемого в различных точках фотоприемника.
Фотографии, регистрирующие боковое рассеяние в реставрационных КП удобно анализировать после сглаживания при помощи построения изофот по уровням снимаемого сигнала, по которым в дальнейшем можно и по анализу кривой спадания интенсивности. По фотографиям и изофотам можно судить о угле расходимости излучения, определяемого по полуширине контура интенсивности и о рассеянии внутри образцов. Предварительно по виду «факела» образцы разбились на три основные группы как и в предыдущих измерениях.
Для получения цветовых координат КП была выбрано гиперболическое решение теории Кубелки-Мунка, позволяющая получать коэффициент диффузного отражения и подставлять полученные значения в метод взвешанных ординат, что позволяет получить координаты цветности. Полученные координаты цветности можно пересчитать в координаты цветности на сфере Манселла при помощи оригинальной программы Munsell Conversion.
Материалом исследования являлись удаленные зубы, включающие три группы: резцы, клыки и премоляры верхней и нижней челюстей с интактной эмалью, удаленные у пациентов с парадонтозом (возраст пациентов 36-57 лет) - 41 зуб, при этом дентин коронковой части не имел признаков склерозирования; премоляры верхней и нижней челюстей, удаленные по ортодонтическим показаниям у пациентов 12-15 лет на 1-3 году после прорезывания (43 зуба).
В качестве ресторативного материала был выбран фарфор, применяемый в стоматологической практике. В качестве модели был взят двухслойный фарфор, который был призван имитировать внешний вид натурального зуба. В исследуемой модели эмаль моделировалась при помощи фарфора Schneide S-2, а дентин Dentine D-01 фарфором IVOCLAR Liechtenstein.Образец быд изготовлен путем стандартного обжига материалов двух типов в печи с последующей обработкой аламазным образивным инструментом и обработкой поверхности.
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 4.1. Она использовалась для регистрации распределения светового излучения в эмали и прилежащем дентине: 1 -источник излучения (He-Ne лазер), 2, 3 - блок формирования пучка, 4 - шлиф зуба (премоляр верхней челюсти), 5 - ПЗС-камера с объективом, кабель связи для связи с персональным компьютером, персональный компьютер.
Во всех случаях пучок лазерного излучения лежал в области шлифа. Объектив ПЗС-камеры был снабжен специальной насадкой, позволяющий переносить действительное изображение объекта на ПЗС-матрицу камеры с линейным увеличением 1.5х - 2.0х (размер ПЗС-матрицы 1/3 дюйма). Оптическую ось объектива видеокамеры ориентировали перпендикулярно плоскости шлифа. Коаксиальный кабель использовался для трансляции видеосигнала в реальном времени на видоебластер (IE500 Creative Labs) в составе персонального компьютера. При этом была возможность наблюдать сигнал, идущий с ПЗС-камеры в режиме реального времени, что давало возможность получать картинку желаемой четкости без особых проблем. Далее при помощи специального программного обеспечения, поставляемого вместе с видеобластером, картинка замораживалась и записывалась в файл стандарта .bmp. В данной установке картинки получались черно-белыми - 256 градаций (0 - черный цвет, 255 - белый). В большей цветовой гамме записывать сигнал не имело смысла, поскольку в установке использовалось лазерное излучение с высокой степенью монохроматичности, а следовательно, можно использовать ПЗС-матрицы с монохромной чувствительностью. Запись в .bmp стандарт дала возможность без особых усилий последующего переформатирования цифровых фотографий воспользоваться оригинальной программой Zbmp2txt, которая позволяет трансформировать цифровую фотографию в двумерный массив количество элементов которого совпадает с количеством пикселов исходной фотографии. Далее, полученные таким образом матрицы можно анализировать при помощи стандартных пакетов Microsfot Excel 2000 и SPSS Corp Table Curve 2D 5.0. Аналогичные операции были проделаны с пластинами из ресторативного фарфора.
При анализе цифровых фотографий и двумерных массивов можно было увидеть различия между природными и искусственными материалами, кроме того, при анализе фотографий можно было оценить, где именно происходит наибольшее рассеяния световой энергии в зубах и ресторативном фарфоре.
В ходе экспериментов были использованы 2 поляризации лазерного излучения. В первом случае вектор Е был направлен в плоскости образца, во втором случае вектор Е был направлен перпендикулярно плоскости образца. Такое исследование давало возможность не только сравнить картины рассеяния в тканях зуба и реставрационном фарфоре но и сделать вывод о характере рассеяния в материалах.
Модель рассеяния в реставрационных материалах и дентине
Согласно методике для изучения размеров рассеивателей в дентине и эмали и повышения интегральной чувствительности ПЗС-камеры, объект фиксировался, а ПЗС-камера передвигалась в горизонтальном направлении параллельно образцу. Результатом эксперимента явился набор цифровых фотографий (Рис 5.29-5.31) для картины рассеяния на дентине и фотографий (Рис 5.32-5.35) для рассеяния на эмали. Фотографии из одной серии имели хорошо узнаваемые точки, совмещая которые можно получить картину рассеяния под большими углами и повысить после пересчета интегральную чувствительность камеры.
В ходе рассмотрения фотографий были обнаружены точки, которые имели разную интенсивность на разных фотографиях, но являлись результатом рассеяния от одних и тех же структур и находились под одинаковыми углами от центра картины рассеяния. Таблица После состыковки фотографий была повышена интегральная чувствительность ПЗС-камеры (в силу технических причин — аппаратных и программных - невозможно получить цифровую фотографию чувствительность единичного пиксела меньше 1 и больше 255), поскольку при удалении центра пучка от центра ПЗС-матрицы и, как следствие, уменьшения излучения суммарной интенсивности всех лучей, попадающих на фоточувствительную матрицу, происходила подстройка фоточувствительного тракта под принимаемый сигнал, в результате чего происходило автоматическое усиление принимаемого сигнала. Для дентина итоговая чувствительность ПЗС-камеры составила 255 1.97 2.07 1041 градацию, т.е. общая чувствительность ПЗС-камеры была увеличена в 4.1 раза при измерениях в дентине. Для эмали максимальная чувствительность фоточувствительного тракта составила 7364 градаций, а это означает, что чувствительность камеры увеличилась в 28.8 раз. Такое усиление давало возможность наблюдать низкоинтенсивные лучи света, рассеянные под большими углами. При состыковке двумерных массивов также увеличивалось поле зрения камеры. Картина рассеяния на дентине наблюдалась при углах до 0.72 радиан, для эмали эта величина составила 0.9 радиан.
После сшивки фотографий и нахождения центров в картинах были получены графики распределения электромагнитного поля в плоскости ПЗС-матрицы после прохождения волны через эмаль и дентин. Определив центры картины рассеяния по нулевому пучку, можно получить графики зависимости интенсивности излучения от координаты в плоскости ПЗС-матрицы или от угла отклонения от нормали к поверхности ПЗС-матрицы. По этим графикам можно определить, структуры каких размеров принимают наибольшее участие в процессе рассеяния, а как следствие, определить какие морфологические особенности участвуют в процессе рассеяния.
По первоначальному графику рассеяния на дентине было сложно судить о размерах рассеивателеи, присутствующих в структуре зуба, так как из-за высокой когерентности падающего излучения на цифровых фотографиях присутствовала спекл-структура. Строка данных помещалась в пакет для математического анализа функций Table Curve 2D SPSS Corp 5. В этом пакете график подвергся Фурье-анализу, в результате чего были получены Фурье-компоненты графика. Наиболее выраженными были низкочастотные и высокочастотные Фурье-компоненты. Высокочастотные компоненты, отвечающие за биения графика, убирались и кривая становилась более плавной. Путем последовательных итераций удалось добиться максимальной информативности графиков, при этом высокочастотные биения были убраны. Только после такого преобразования (Рис 5.10) удалось определить размеры рассеивателей в структуре дентина. График рассеяния в эмали легче подвергался анализу, чем аналогичный график для дентина, и этот график был также подвергнут вышеописанной математической процедуре (Рис 5.11).
Рассеиватели в 4.2±0.2 мкм и 3.2±0.2 мкм в дентине могут соответствовать размерам дентинных трубочек в двух сечениях, а размеры в 12.5±0.2 мкм расстоянию между трубочками. По графику рассеяния на эмали можно определить характерные размеры 4.8±0.1 мкм, 3.4+0.1 мкм, 10.2±0.1 мкм. Размеры в 4.8±0.1 мкм и 3.4±0.1мкм соответствуют размерам межпризменного пространства, а размер 10.2±0.1 мкм - размерам кристаллов.
По цифровым фотографиям можно видеть, что и структура эмали, и структура дентина обладают анизотропией. Анизотропия в эмали малозаметна и ею можно пренебрегать при создании ресторативных материалов, кроме того, по цифровым фотографиям видно, что эмаль является более прозрачной, чем дентин. Анизотропия в дентине более выражена, и ею невозможно пренебрегать в создании ресторативных материалов.
Эмаль (Рис. 5.12)и дентин (Рис. 5.13-5.15) имеют различное рассеяние, обусловленное различием в их структурах (См. Теор. Обзор). Исходя из того факта, что дентинные трубочки направлены от пульпарной области к ДЭС, можно показать, что они меняют свою ориентацию в пространстве.
