fbpx

Оптическая анизотропия эмали зуба

Владимир Грисимов,
научный отдел современных стоматологических
технологий НИИ стоматологии и челюстно-лицевой
хирургии ПСПбГМУ им. акад. И.П. Павлова
(г. Санкт-Петербург, Российская Федерация)
Введение

В современной стоматологии достаточно распространено применение оптических неразрушающих методов диагностики поражений зубов. В связи с этим сохраняется интерес к изучению оптических характеристик твердых тканей зуба. В последнее время интерес к данной проблеме значительно усилился. Это связано с развитием методик прямых эстетических реставраций зубов и применением современных реставрационных материалов, которые внешне весьма схожи с натуральными твердыми тканями. Схожие показатели цвета и полупрозрачности твердых тканей и материалов обусловлены сходством таких оптических характеристик, как рассеяние и поглощение света. Однако с точки зрения оптики твердые ткани имеют существенное отличие от реставрационных материалов. Реставрационные материалы представляют собой изотропные среды, оптические свойства которых не связаны с направлением. Оптические свойства эмали и дентина связаны с направлением и при их упорядоченной структуре являются анизотропными средами. С одной стороны, оптическая анизотропия представляет интерес для клиницистов, поскольку в той или иной степени определяет соотношение пропускания и рассеяния света твердыми тканями. С другой стороны, связь оптической анизотропии со строением твердых тканей может представлять интерес для морфологов.

Цель данной статьи — показать связь между морфологическими особенностями и анизотропными свойствами эмали зуба, а также определить условия, при которых можно наблюдать проявление данных свойств.

Материалы и методы

Исследование проводилось на премолярах верхней челюсти. Из свежеудаленных зубов готовились плоскопараллельные шлифы, которые хранились в 4% формалине при комнатной температуре. Плоскость шлифа соответствовала вестибуло-оральному вертикальному сечению и проходила через середину коронки. Механическая обработка поверхностей шлифа абразивами (шлифовка и полировка) проводилась на твердой основе, что исключало образование какого-либо микрорельефа на поверхностях.

Для исследования использовалась экспериментальная установка, представленная на рис. 1. Вначале изготавливался шлиф толщиной 500 мкм. После его фотографирования шлиф истончался и фотографировался соответственно при толщине 400, 300 и 200 мкм.

Шлиф зуба помещался в стеклянную цилиндрическую кювету, заполненную водой. Пучок света гелий-неонового лазера, поляризованный в плоскости шлифа, падал на поверхность эмали, пройдя через щелевую диафрагму. Кювета и диафрагма на рис. 1 не показаны. На дно кюветы под шлифом помещался нейтральный абсорбционный фильтр с коэффициентом пропускания 10%.

Проводилось фотографирование шлифа при следующих ситуациях:

— в отраженном неполяризованном свете, когда свет падал диффузно на поверхность шлифа;

— в неполяризованном проходящем свете (источник 9 без поляризатора);

— в проходящем поляризованном свете при скрещенных поляризаторах 5, 6;

— в проходящем поляризованном свете при параллельных поляризаторах 5, 6;

— при падении пучка He-Ne лазера на небную поверхность эмали и прохождении света через шлиф при скрещенных поляризаторах 5, 6;

— при падении пучка He-Ne лазера на небную поверхность эмали и одновременной подсветке от источника 7 или от источника 8 при ориентации главной плоскости поляризатора фотоаппарата 5 перпендикулярно направлению лазерного пучка;

— при падении пучка He-Ne лазера на небную поверхность эмали и одновременной подсветке от источника 7 или от источника 8 при ориентации главной плоскости поляризации фотоаппарата 5 параллельно направлению лазерного пучка.

Результаты и обсуждение

Полученные изображения шлифов одного и того же зуба представлены на фото 1-10.

Из сопоставления изображений шлифа, сфотографированного в отраженном свете при диффузном падении света и в проходящем неполяризованном свете (фото 1 а, б), видно, что твердые ткани зуба являются полупрозрачными оптическими средами. При этом эмаль прозрачней дентина. В отраженном свете при любой толщине шли- фа (от 500 до 200 мкм) заметны полосы Гунтера-Шрегера, а в проходящем свете этих полос не видно.

Полосы Гунтера-Шрегера становятся видны в проходящем свете, если поместить шлиф между поляризаторами (фото 2). Картина полос Гунтера-Шрегера, наблюдаемая в проходящем поляризованном свете, обусловлена эффектом так называемой интерференции в параллельных лучах при взаимодействии света с кристаллами апатитов.

Механизм данного эффекта состоит в следующем. Если луч линейно поляризованного света, выйдя из поляризатора, входит в плоскопараллельную пластинку, изготовленную из одноосного кристалла, под углом к его оптической оси, то внутри пластинки он разделяется на два луча: обыкновенный и необыкновенный (эффект двулучепреломления). Выйдя из кристаллической пластинки, эти лучи имеют разные фазы и поляризованы в разных плоскостях. Пройдя через второй поляризатор, который принято называть «анализатором», свет становится снова линейно поляризованным, благодаря чему лучи приобретают од- ну плоскость поляризации, что позволяет им интерферировать. Поскольку разность фаз зависит от длины волны, то те или иные длины волн оказываются в синфазном или противофазном состоянии, и, таким образом, интерференционная картина получается окрашенной [1].

Подобные эффекты происходят на каждом кристалле гидроксиапатита эмали. Известно, что кристаллы гидроксиапатитов эмали оптически одноосные и обладают отрицательным двулучепреломлением. Разность между показателем преломления обыкновенного и необыкновенного луча составляет (no — ne) = — 0,003 [2]. Оптическая ось кристалла совпадает с его кристаллографической осью (c-осью, осью геометрической симметрии). При скрещенных поляризаторах система «поляризатор — шлиф эмали — анализатор» про- пускает только часть света, которая испытала двулучепреломление. При параллельных поляризаторах к этому свету прибавляется свет, который прошел систему и не испытал двулучепреломления, вследствие чего эмаль при параллельных поляризаторах всегда выглядит светлее, а цвета аналогичных участков меняются на дополнительные (фото 2, 3, 4).

Интенсивность проходящего света и его спектральный состав зависят от толщины образца, от ориентации поляризаторов и ориентации оптических осей кристаллов гидроксиапатита относительно направления распространения светового потока. Последнее легко подтвердить, поворачивая плоскость шлифа относительно направления проходящего света таким образом, чтобы менялся угол между направлением эмалевой призмы и световым потоком. Поскольку основная масса кристаллов ориентирована своими осями вдоль направления эмалевой призмы, изменение на- правления какого-либо участка призмы относительно светового потока означает изменение на- правления осей основной массы кристаллов. Следует учитывать, что на периферии призм, где они контактируют друг с другом, оси кристаллов отклоняются. В самых отдаленных от центра призмы участках (так называемый «хвост замочной скважины») это отклонение достигает 60°-70° [3]. Кристаллы, оси которых отклоняются от направления призмы, уменьшают упорядоченность и увеличивают степень хаотичности ориентации оптических осей. Такая хаотичность относительно проходящего сквозь эмаль поляризованного света увеличивается с увеличением толщины образца (шлифа), вследствие чего четкость и многоцветность картины полос Гунтера-Шрегера уменьшается (фото 3 а). Уменьшение толщины образца также уменьшает многоцветность картины. После истончения шлифа до 200 мкм эмаль становится окрашенной в белый, серый и желтый цвета (фото 4 а). Такое изменение цветовой гаммы обусловлено изменением так называемой разности хода между обыкновенным и необыкновенным лучом, которая пропорциональна толщине кристаллической пластинки (в нашем случае — шлифа) и разности показателя преломления обыкновенного и необыкновенного луча [1].

Таким образом, учитывая расположение кристаллов в призме, поперечные размеры призм, их количество и гексагональное расположение в пучке, а также наличие их изгибов, можно сказать, что толщина шлифа в интервале 300- 400 мкм для наблюдения полос Гунтера-Шрегера в проходящем поляризованном свете является оптимальной.

При рассмотрении эмали между скрещенными или параллельными поляризаторами при любой толщине шлифа полосы Гунтера-Шрегера наиболее проявлялись во внутренней половине слоя эмали. Во внешней его половине полосы почти не проявлялись, а также не менялся цвет в направлении, параллельном дентиноэмалевому соединению. Наиболее отчетливо это видно при толщине 300 мкм (фото 2 а). Сине-зеленый цвет внешней половины слоя эмали говорит о том, что здесь основная масса оптических осей кристаллов имеет одну ориентацию относительно проходящего света, а это, в свою очередь, показывает, что эмалевые призмы ориентированы одинаково относительно плоскости шлифа и не имеют синусоидальных изгибов. В пришеечной области рисунка полос Гунтера-Шрегера нет, что может быть обусловлено более выраженной хаотичностью ориентации оптических осей кристаллов относительно направления призм в этой области [4]. В обласи верхушек бугров рисунка полос Гунтера-Шрегера также нет, поскольку эмалевые призмы здесь изгибаются спиралевидно [5].

При подсветке шлифа лучом лазера картина бокового рассеяния лазерного света во внутренней половине слоя эмали соответствует рисунку полос Гунтера-Шрегера (фото 5, 6). Таким образом, можно сделать вывод о том, что при падении света на поверхность зуба его распространение внутри эмали имеет связь с направлением и изгибами эмалевых призм.

Данная связь хорошо проявлялась при наблюдении шлифа (рис. 1) в отраженном свете в условиях одновременного падения лазерного пучка на поверхность эмали и косого падения света на поверхность плоскости шлифа со стороны небной поверхности коронки (источник 7) или со стороны вестибулярной поверхности (источник 8).

Важно отметить, что при косом падении света на поверхность плоскости шлифа со стороны небной поверхности эмали картина бокового рассеяния лазерного света своими максимумами совпадала со светлыми полосами, которые обусловлены светом источника (фото 7). При косом падении света на поверхность плоскости шлифа с противоположной стороны (от вестибулярной поверхности эмали) картина бокового рассеяния лазерного света своими максимумами совпадала с темными полосами (фото 8).

Представленные эффекты (фото 7, 8) можно объяснить волноводной моделью распростране- ния света в эмалевых призмах [6].

Известно, что в зонах контакта соседних призм (межпризменное вещество) уровень минерализации ниже, чем внутри призмы, в связи с чем показатель преломления у призм (np 1,62) больше, чем у межпризменного вещества (nip 1,57) [7]. Из этого следует, что свет может распространяться внутри призмы, испытывая полное внутреннее отражение на ее границах, как это происходит внутри оптического волновода (световода). Также известно, что максимальный угол отклонения изгиба призмы от ее общего направления составляет по- рядка 20° [8]. Если считать, что поверхность шлифа параллельна общему ходу призмы, то она пересекает изгибы пучка призм под тем же углом 20° (рис. 2). При этом торцы пересеченных призм должны быть ориентированы к поверхности эмали под такими же углами в двух противоположных направлениях. Если свет, падающий под углом на поверхность шлифа, попадает на торец призмы, обращенный к источнику 2 (рис. 2), то он входит в эмаль в пределах апертурного угла призмы (световода) и распространяется внутри нее. В таких областях поверхности эмали образуются темные полосы. Если тот же свет падает на торец призмы, обращенный от источника 1 (рис. 2), то он входит в призму вне апертурного угла и после преломления на поверхности шлифа попадает на ее внутреннюю поверхность под углом меньше предельного угла полного внутреннего отражения. В данном случае свет дол- жен выйти в соседнюю призму, что приведет к увеличению диффузно отраженного светового потока, образуемого боковыми поверхностями в пучке соседних призм, и к образованию светлой полосы. При противоположном направлении косо падающего света на поверхность шлифа пучки призм будут меняться ролями, «работая» точно так же. Поэтому с изменением направления светового потока на поверхность шлифа будет происходить инверсия светлоты полос в отраженном свете. Такой механизм проявления полос Гунтера-Шрегера подтверждается характером распространения лазерного света внутри эмали. Учитывая угол падения лазерного пучка на внешнюю поверхность эмали (рис. 1), свет лазера должен входить в призму внутри ее апертурного угла и преимущественно распространяться внутри призмы, как по световоду. В месте выхода торца призмы на поверхность выходит и свет от лазера (рис. 2). Поэтому в данном случае картина бокового рассеяния лазерного света своим максимумом совпадает со светлой полосой, образованной светом, падающим на поверхность шлифа со стороны небной поверхности (источник 7, рис. 1). При изменении направления светового потока на поверхность шлифа (источник 8, рис. 1) максимумы бокового рассеяния лазерного света совпадают с темными полосами.

Следует отметить, что картины полос Гунтера- Шрегера, наблюдаемые в отраженном свете, наиболее отчетливо проявлялись, если источник света находился в той же азимутальной плоскости, в которой синусоидально изгибаются призмы исследуемого участка эмали. При этом толщина образ- ца в пределах от 500 до 200 мкм влияния не оказывала. Для получения наиболее четкой картины полос при лазерной подсветке необходимо было использовать два поляризатора (рис. 1). Поляризатор на выходе из лазера с главной плоскостью, ориентированной в плоскости шлифа, позволял повысить контраст картины бокового рассеяния, включая полосы Гунтера-Шрегера. Поляризатор фотоаппарата влиял на степень проявления картин бокового рассеяния лазерного света. При рас- положении главной плоскости поляризатора фото- аппарата перпендикулярно направлению лазерного пучка картины бокового рассеяния были хорошо видны (фото 5, 6, 7, 8). При расположении глав- ной плоскости поляризатора параллельно направлению лазерного пучка картины бокового рассеяния почти исчезали (фото 9, 10). Однако при этом сохранялись описанные выше закономерности взаимодействия света с эмалевыми призмами, что было видно по расположению лазерных спеклов. При подсветке от источника 7 спеклы располагались в области светлых полос (фото 9). При подсветке от источника 8 спеклы располагались в области темных полос (фото 10). 

Выше было показано, что в проходящем неполяризованном свете при его нормальном падении на шлиф полосы не видны (фото 1 б). Однако при косом падении на нижнюю поверхность шлифа они могут отчетливо проявляться. Схема такого эксперимента представлена на рис. 3, а результаты — на фото 11.

Компьютерное совмещение рисунков полос Гунтера-Шрегера (фото 11 а, б) с помощью графи- ческого редактора (Paint Shop Pro X6) показало, что при изменении направления косо падающего света также происходит смещение, или инверсия светлоты полос Гунтера-Шрегера, как и в отраженном свете. При этом расположение линий Ретциуса остается неизменным.

Механизм образования полос в проходящем неполяризованном свете также можно объяснить на основе волноводной модели распространения света в эмалевых призмах. Если свет источника входит в пучки призм внутри их апертурных углов, то он распространяется вдоль призм и выходит через верхнюю поверхность шлифа, образуя светлую полосу. Если свет того же источника входит в пучки призм вне их апертурных углов, то он отражается боковыми поверхностями призм, вследствие чего из шлифа выходит меньше света и образуется темная полоса. При изменении положения источника (3 4, рис. 3) происходит инверсия, или сдвиг полос. Условиями наблюдения данных эффектов являются относительно небольшая толщина шлифа (не более 200 мкм) и положение источника света в той же азимутальной плоскости, в которой синусоидально изгибаются призмы исследуемого участка эмали. При этом наличие нейтрального поглощающего фильтра между шлифом и источником косо падающего света повышает контраст изображения.

Висновки

Из представленных результатов можно сделать выводы относительно особенностей архитектоники эмали и обусловленных ими оптических свойств. Совместный анализ изображений шлифа, полученных в отраженном и проходящем поляризованном свете, указывает на то, что изгибы призм более выражены у дентиноэмалевого соединения и менее выражены у поверхности эмали. Характер инверсии светлоты полос Гунтера-Шрегера при изменении направления светового потока на поверхность шлифа показывает симметричность отклонения изгибов призм от плоскости меридионального сечения. Оптический эффект полос Гунтера-Шрегера в отраженном и проходящем неполяризованном свете обусловлен волно- водно-рассевающими свойствами эмалевых призм.

Следует отметить, что волноводные эффекты в эмали выражены незначительно и не представляют особого интереса для клиницистов. Волноводно-рассевающие свойства дентина выражены гораздо сильнее, влияя на эстетику зуба и распространение света полимеризующих источников через твердые ткани, о чем будет рассказано в следующей статье.

Литература
  1. Шубников А.В. Интерференция света в кристаллических пластинках. В кн.: Основы оптической кристаллографии. — М.: Изд-во АН СССР, 1958. —С. 63-117.
  2. Carlstro..m D., Glas J.E. Studies on the ultrastructure of dental enamel. III. The birefringence of human enamel // J. Ultastruct. Res. —1963. — Vol. 8, No1-2. —P.1-11.
  3. Meckel A.H., Griebstein W.J., Neal R.J. Structure of mature human dental enamel as observed by electron microscopy // Arch. Oral Biol. — 1965. —Vol. 10, No 5. —P. 775-783.
  4. Lyon D.G., Darling A.I. Orientation of the crystallites in human dental enamel // Brit. Dent. J. —1957. —Vol. 102, No12. —P. 483-488.
  5. Osborn J.W. Directions and interrelationship of prisms in cuspal or cervical enamel of human teeth // J. Dent. Res. —1968. —Vol. 47, No 3. —P. 395-402.
  6. Grisimov V.N. Optical model of Hunter-Schreger bands phenomenon in human dental enamel. In: «Medical Applications of Lasers in Dermatology, Cardiology, Ophthalmology and Dentistry II»: Proc. SPIE. —1999. —Vol. 3564. —P. 237-242.
  7. Zijp J.R., ten Bosch J.J. Groenhuis R.A.J. HeNelaser light scattering by human dental enamel // J. Dent. Res. —1995. —Vol. 74, No 12. —P. 1891-1898.
  8. Osborn J.W. Evaluation of previous assessments of prism directions in human enamel // J. Dent. Res. —1968. —Vol. 47, No 2. —P. 217-222.
uk