Abstracte achtergrond
Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) kan worden gebruikt om sporen element concentraties in vaste stoffen te meten , vloeistoffen en gassen, ruimtelijke resolutie en absolute quantifaction zijn haalbaar, naar delen per miljoen concentratieniveaus. Sommige toepassingen van LIBS niet noodzakelijkerwijs exacte, kwantitatieve metingen. Deze omvatten toepassingen in de tandheelkunde, die van een meer "te identificeren en op te sorteren" natuur - bijv. identificatie van tanden aangetast door cariës.
Methods
een één-vezellicht levering /collectie samenstel voor LIBS analyse werd gebruikt, die in principe leent zich voor routinematige in vitro /in vivo
toepassingen tandartspraktijk. Een aantal algoritmes voor LIBS gegevens kunnen worden gebruikt om de gelijkenis van een spectrum, gemeten op specifieke lokaties te evalueren monster, met een trainingsset van referentiespectra. Hier is de beschrijving beperkt tot een patroonherkenning algoritme, namelijk de zogenaamde Mahalanobis Afstand werkwijze.
Resultaten Ondernemingen De plasma gemaakt wanneer de laserpuls ablateert het monster (in vitro
/in vivo
), werd spectraal geanalyseerd. We hebben aangetoond dat met behulp van de Mahalanobis Afstand patroonherkenning algoritme, we konden eenduidig de identiteit van een "onbekende" tooth sample in real time te bepalen. Op basis van één spectra verkregen van het monster, de overgang van cariës getroffen om gezonde tand materiaal onderscheiden, met een hoge ruimtelijke resolutie zou kunnen zijn.
Conclusies
De combinatie van LIBS en patroonherkenning algoritmes biedt een potentieel nuttig instrument voor tandartsen voor snelle materiaal identificatie problemen, zoals bijvoorbeeld de nauwkeurige controle van de laser boren /reinigingsproces
Electronic aanvullend materiaal
de online versie van dit artikel (doi:.. 10 1186 /1472-6831-1 -1) bevat aanvullend materiaal, dat beschikbaar is voor bevoegde gebruikers achtergrond
Talrijke technieken zijn ontwikkeld om tandbederf te onderzoeken.; veel daarvan zijn b.v. beoordeeld door Murray [1] en Niemz [2]. Echter, de meeste veelbelovende sommige opkomende technologische realisaties in de analytische spectroscopie, waaronder laser fluorescentie (reeds een commercieel diagnostisch systeem KaVo DIAGNOdent
beschikbaar is) [3, 4], digital imaging fiber optics transilluminatie [4, 5], tuned-opening computertomografie [6, 7], en digitale radiografie [6, 8]. De grote gevoeligheid van sommige van deze methoden maakt de detectie van cariës in eerder dan gebruikelijke werkwijzen [1, 2, 9]. Helaas is geen van deze technieken kan gewoonlijk worden gebruikt voor real-time detectie gedemineraliseerd glazuur /dentine (vergezeld met verlies van calcium Ca Kopen en fosfor P
[10]), geassocieerd met cariës, direct bij de toepassing van laserboren.
laatste jaren onderzoeksgroepen bijzonder in Duitsland is gebleken dat het gebruik van femto-lasers tweede alternatief voor klassieke mechanische boortechnieken kunnen vormen voor contactloze boren realiseren tandheelkunde [2, 11, 12]. Terwijl intrigerend elegant, femto-tweede laser boren ondervindt nog steeds problemen met de ablatie-efficiëntie [11, 12]. Bijvoorbeeld, sommige tandartsen gebruiken Er: YAG lasers [12, 13], die onlangs door de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) goedgekeurd voor gebruik op menselijke proefpersonen [14]. Er: YAG lasers hebben een grotere efficiëntie dan andere, op dit moment beschikbare femto-tweede lasersystemen. Echter, boor gebieden behandeld met Er: YAG lasers bevatten soms lange spleten die ontstaan door plotselinge verdamping van het water in het tandweefsel [11, 12, 15]. Dit kan resulteren in ruwe tandoppervlakkenmet diepe scheuren, tot 300 micrometer; de aanwezigheid en mate werden gedetecteerd met behulp kleurstofpenetratie proeven [2]. Door deze scheuren kan zuren doordringen tot de tand en kan de bron van nieuwe carieuze laesies. Hoewel sommige auteurs gemeld dat micro-scheurtjes worden voorkomen [13, 14, 16], is het duidelijk dat hun uiterlijk afhankelijk van de specifieke omstandigheden ablateermiddel; momenteel een gemeenschappelijke consensus over het ontstaan van scheuren lijkt niet te bestaan (zie Eguro et al
[17]). Anderzijds, is gerapporteerd dat het veranderen van de lasergolflengte van de IR /zichtbaar UV kan grotendeels probleem van mechanische belasting, waardoor genoemde probleem te overwinnen [18]. Daarom, ondanks de huidige problemen is het waarschijnlijk dat in de nabije toekomst verdere ontwikkeling van nieuwe lasersystemen, de klinische toepassing van femto seconden gepulste laser boren kan ontstaan als een alternatief voor mechanische /Er: YAG-laser tandheelkundige behandeling. Vandaar, ongeacht de uiteindelijke keuze lasersysteem, zijn vereist om het boorproces te controleren.
Hier stellen we een methode gebaseerd op de techniek van Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), voor de controle van de laser boorproces door monitoring en het analyseren van de lichtgevende plasma - in vivo Kopen en in real time; waardoor nauwkeurige regeling van geablateerd materiaal kan worden bereikt. In de tandheelkundige praktijk wordt meestal meer gezond weefsel dan uiteindelijk nodig is verwijderd. Het toezicht is vooral afhankelijk van een 'menselijke' factor - de visuele inspectie door de tandarts. Het plasma, dat ontstaat tijdens de ablatie middels korte laserpulsen kunnen spectraal worden geanalyseerd middels een vezellicht leveren en betaalsysteem Belgique Om de spectroscopische analyse van door laser geïnduceerde plasma gebruikt, om informatie over de cariës te verkrijgen. - stand van tandweefsel, werd eerst door Niemz [2] en Kohns [12]. Hun studies die betrokken zijn alleen de spectroscopische onderzoek van spectraallijnen van calcium (intensiteit en lijndikte). Echter, met slechts enkele spectraallijnen van een enkel element is bekend om potentieel een grote bron van fouten in een laser analysetechniek zoals LIBS zijn. Voor zover wij weten, is er geen onderzoek geweest, met uitzondering van de groep [21], gelijktijdig benutten de spectrale informatie van meer dan één element van matrix en niet- matrixelementen, onderscheiden tussen gezonde en carieus weefsel. Deze nieuwe aanpak maakt deel uit van onze huidige onderzoek. Het onderscheid tussen gezonde en carieus weefsel een hoge gevoeligheid bij het benutten spectrale gegevens van een paar, of zelfs meer dan één paar van de toegepaste elementen in de vorm van lijnintensiteit verhoudingen gecombineerd met een patroon algoritme.
Carieuze /gezonde tand materiaal kan worden geïdentificeerd door de afname van matrixelementen (Ca Kopen en P
) en /of de toename van niet-matrixelementen (gewoonlijk Li
, Sr
, Ba
, Na
, Mg
, Zn
en C
), met behulp van algoritmes patroonherkenning. Deze analyse proces kan met ruimtelijke resolutie worden uitgevoerd. Laterale nauwkeurigheid van orde van 100-200 urn, terwijl diepte- nauwkeurig tot minder dan 10 urn. Dus in principe de combinatie van een patroon en LIBS algoritme geeft tandartsen een krachtig hulpmiddel voor nauwkeurige real-time monitoring en identificatie van cariës getroffen weefsel of dentale vulmaterialen tijdens laserboren.
Als noteren voorzichtigheid we graag vanaf het begin dat de laser in deze studie, namelijk een Nd benadrukken: YAG laser die op zijn fundamentele golflengte en verschaffen pulsen met een duur nanoseconden, is waarschijnlijk niet de laser van de keuze voor de werkelijke in vivo
laserboren tanden. Bovendien zijn geen volledig klinisch onderzoek tot nu toe uitgevoerd, slechts één in vivo Meet- werd uitgevoerd op een tand van een vrijwilliger. Daarom moet de hier vermelde resultaten worden beschouwd als een bewijs van het principe, worden genomen voordat een volledig ontwikkelde techniek direct toepasbaar in de tandartspraktijk.
Werkwijze en materialen
laser geïnduceerde afbraak spectroscopie één gebruikt de hoge vermogensdichtheden verkregen door het focusseren van de straling van een gepulste laser (normaal in een vaste golflengte), een lichtgevende micro plasma van de analyt (vaste, vloeibare en gasvormige monsters) genereren. Goede benadering, de plasma samenstelling representatief elementaire samenstelling van het analyt. In de dertig jaar of zo sinds de oprichting van het potentieel van LIBS als analytisch hulpmiddel is gerealiseerd, wat leidt tot een steeds groeiende lijst van applicaties, zowel voor analyse in het laboratorium en industriële omgevingen [19, 20]. We willen graag op te merken dat de ablatie van tandweefsel met behulp van gepulste lasers, en tegelijkertijd het toezicht op de plasma-emissie het principe nauw bootst achter de techniek van LIBS [21].
Standard LIBS analyse systemen omvatten typisch belangrijke component units, te weten (a ) de laserbron; (B) het laserlicht levering en plasma-emissie inzamelsysteem; en (c) het systeem voor spectraalanalyse. Voor de experimentele studie hier beschreven, dat wil zeggen de uitvoering van LIBS in de tandheelkunde hebben we gebruik gemaakt van een glasvezel gebaseerde LIBS assemblage [22] Ondernemingen De lasersysteem
De laser gebruikt voor plasma generatie was een standaard gepulste Nd:. YAG laser ( Quantel Brilliant golfreizen of BigSky
), die op zijn fundamentele golflengte van 1064 nm, bij 20 Hz herhalingsfrequentie. Afzonderlijke laserpulsen had een pulslengte van 4-8 ns (afhankelijk van de Q-schakelaar afstelling van de laser voeding). De pulsenergie werd nauwkeurig gecontroleerd met behulp van een halve golf retardatie plaat en de Glan-laser polarisator in de bundel pad. Werd gemeten met een gekalibreerde energiemeter (Coherent LabMaster
); typisch, pulse energieën in de range 10-30 mJ werden gebruikt. Wij willen hier op te merken, dat in de buurt van infrarood lasers van nanoseconden pulsduur zal zeer waarschijnlijk niet de lasers van keuze in praktische toepassingen voor tandheelkundige boren, maar moet worden gezien als een proof-of-principle scenario. Ondernemingen De lichte levering en betaalsysteem
totale optische opstelling die in onze experimenten is getoond in figuur 1. Een enkele vezel kerndiameter van 550 micrometer (Ensign-Bicford HCG550
) en 5 m lengte werd gebruikt om de laserstraling te leveren aan de doelmateriaal (tand) - in vivo Kopen en in vitro toepassingen
-, en de gegenereerde plasma emissie voor verdere analyse te verzamelen. Het vezeluiteinde-gezichten werden bereid door een werkwijze die het splitsen van bestralingen & gt toegelaten; 1 GW /cm
2 worden getransporteerd zonder schade aan de vezels. Figuur 1 bovenaanzicht van de optische inrichting en de experimentele materialen | Zoals in de opstelling, straling van de Nd:. YAG laser is gericht op de introductie einde van de vezel geplaatst net buiten het brandpunt van de lens , via een hoge reflectie spiegel (gecoat om R & gt; 99,5% in 1064 nm) met behulp van een 250 mm brandpuntsafstand convergerende lens. Deze bestraling werd door een gat van 2 mm in het licht-collectie spiegel. Ondernemingen De laserlicht pulsen verlaten van het uiteinde van de vezel (distale uiteinde) waren gericht op het doelmateriaal. Merk op dat voor een groot deel van onze experimenten geen optische componenten werden gebruikt tussen het vezeluiteinde en de tand. De scheiding tussen de vezel en het doel (tand) ongeveer
D ≠ 1,5-2,0 mm. Rekening houdend met deze fiber-to-target afstand en de numerieke opening van de vezel (NA
= 0,22), de instraling op doel is van de orde I
T Shirts ≠ 0,092-0,065 GW /cm 2, voor een lancering puls energie van E
pf
= 12 mJ. Deze waarde is veilig boven de drempel voor het genereren van een lichtgevend plasma, wat we bepaald over I
T, th
≠ 0,05 GW /cm 2.
Een fractie van de het uitgestraalde licht van het doel oppervlak werd verzameld via dezelfde vezel; Dit opnieuw komt bij de lancering eind (proximale uiteinde), met een afwijking met betrekking tot de numerieke apertuur van de vezel. De spiegel met een UV-versterkte metallische coating werd gebruikt om deze divergerende lichtgeleider scheiden van de binnenkomende Nd: YAG laser pulsen. Deze (divergerende) plasma fluorescentie licht werd opnieuw gericht op de spectrograaf vezelbundel. Merk op dat de vezel samenstel kan worden gebruikt om het licht uit het plasma slechts verzamelen door eenvoudig plaatsen van het distale uiteinde dicht bij het doel, in het geval dat de laserpulsen niet door dezelfde optische vezel voor het boren van tandweefsel worden afgeleverd.
Voor optionele hulp bij het precies richten van de bijna-IR ablatie straling op bepaalde gebieden van de tand, licht van een HeNe laser kan worden co-lineair ingebracht via de Nd:. YAG bundelsturingsspiegel (hoge transmissie bij 633 nm) Ondernemingen de systeem voor de spectrale analyse
Het systeem wordt gebruikt voor de spectrale analyse bestond uit een standaard spectrograaf (ACR500, Acton Research
) met een gate aanstuurbare, geïntensiveerd fotodiode array detector (IRY1024, Princeton-instrumenten) die eraan verbonden zijn. De gating van de detector en de timing voor de spectrale accumulatie werden gecontroleerd door een PC via een puls vertraging generator (PG200, Princeton-instrumenten).
Wij willen u er rekening mee dat de hier gepresenteerde experimentele resultaten werden verkregen met behulp van laserpulsen van enkele nanoseconden duur. Precieze tijd gating van het systeem voor plasma gebeurt doorgaans nodig een sterke, breedband spectrale bijdrage uit Remstraling
tijdens de vroege fase van het plasma evolutie [23] (grotendeels door plasma - laserstraling interactie) voorkomen. Het benutten van de patroonherkenning algoritme, later beschreven in dit document, is de time-gating van het detectiesysteem niet te kritisch te zijn: ongewenste breedband achtergrond bijdragen worden automatisch verwerkt. Dus de acquisitietijd kan oplopen tot enkele milliseconden [24], in plaats van de gebruikelijke microseconde intervallen worden ingesteld; enige juiste synchronisatie met de laserpuls vereist, in principe. Vandaar dat minder geavanceerde vertraging generatoren /elektronica en photon detectoren, zoals bijvoorbeeld eenvoudige fotomultiplicatorbuizen /high-gain lawinediode kon volstaan in de bouw van een kosten-effectieve apparaat aan het licht te controleren van het lichtgevende plasma. Bovendien, we willen opmerken dat voor de laserpulsen van picoseconde of sub-picoseconde duur van de plasma - laserstraling interactie is veel korter, en normaal Remstraling
een zeer belangrijke rol speelt op de tijdschaal van het spectrum wordt gebruikt voor elementaire analyse. Normaal gesproken worden lagere Remstraling
achtergronden ook ondervonden bij het gebruik van UV-laserstraling naar de ablatie plasma te genereren.
Discriminantanalyse
Elke verzameld met behulp van een LIBS instrument spectrum wordt een "vingerafdruk" van het materiaal dat wordt geanalyseerd en de voorwaarden waaronder zij zijn verzameld. De meeste inspanningen kwantitatieve LIBS onderzoek zijn gericht op het normaliseren van het spectrum verzameling voorwaarden en procedures, zodat de spectra voldoende reproduceerbaar voor nauwkeurige kwantitatieve analyse, tot detectie gevoeligheden van enkele delen per miljoen. In het proces van toezicht hier beschreven, wordt deze verfijning niet echt nodig is.
Op voorwaarde dat de relatieve intensiteit schommelingen in verband met de reproduceerbaarheid in de meettechniek zelf zijn kleiner dan de verwachte signaal variaties geassocieerd met het element verdelingen in de steekproef, de spectra zorgen voor afdoende onderscheid tussen specifieke sample composities. Dit komt door het feit dat de totale onregelmatigheden in het spectrum verzamelprocedure kunnen in de "vingerafdruk" tolerantie van het monster. Aldus wordt een identificatie van bijna 100% mogelijk [25]. De limiet van deze hypothese wordt benaderd wanneer het monstergroepen te identificeren zijn zeer vergelijkbaar zijn, d.w.z. monsters van dezelfde matrix lijken deze grens als hun sporen samenstellingen niet significant tussen afzonderlijke monsters. Dit betekent echter geen probleem in het geval gepresenteerde vormen; Alleen onderscheid tussen carieus en gezond weefsel moet worden bereikt. Dit is eenvoudig te realiseren met de patroonherkenning algoritme hier beschouwd. Als een notitie van voorzichtigheid moet worden toegevoegd dat, misschien cariës in een vroeg stadium een uitdaging om de erkenning algoritme opleveren omdat het verschil aan gezond weefsel niet erg groot kunnen zijn. We hebben echter aangetoond voor diverse matrices met slechts subtiele verschillen in samenstelling dat onze methode is nog steeds succesvol [25].
Beter bekend als discriminantanalyse
in spectroscopie, teneinde eventuele patroonherkenning algoritme eenduidig bepalen de identiteit of de kwaliteit van een onbekend monster in vergelijking met een referentiedatabase. Er zijn twee aanvragen voor spectroscopische discriminerende analyse: (i) materiaal zuiverheid /kwaliteit bepalen, en (ii) materiaal identificatie /screening. In dit werk hebben we ons gericht op het laatste punt, omdat - om dit nogmaals benadrukken - alleen eenduidige identificatie is een probleem voor de bewaking van het verschil tussen gezond en carieus weefsel. Het zal duidelijk worden uit de discussie hieronder verder dat zelfs de erkenning van cariës in een vroeg stadium van de ontwikkeling in principe mogelijk moet zijn.
Materiaal identificatie en de mahalanobis-afstand methode spectrum matching
Wanneer discriminerende analyse wordt gebruikt in de product-identificatie of product screening mode, het spectrum van het "onbekende" monster worden vergeleken met meerdere discriminant modellen. Elk model is opgebouwd uit de verzamelde uit monsters representatief verschillende materiaalgroepen spectra, zoals gedefinieerd door de samenstelling van de monsters. Een indicatie voor de waarschijnlijkheid van het spectrum matching een van deze groepen komt uit de analyse en een monster kan dus worden geclassificeerd als een "match", of een "no-match" (zie figuur 2). Deze identificatie kan visueel worden weergegeven op een monitor (bijvoorbeeld scherm) of snel worden geïdentificeerd kunnen worden in de vorm van een geluidssignaal wordt geactiveerd wanneer b.v. de overgang van carieuze gezond tandmateriaal werd geïdentificeerd. Wij willen hier op te merken dat in principe slechts één discriminant model met zijn bijbehorende database (training set) voldoende zou zijn voor cariës identificatie. Genoemde data base moet spectra omsluiten uit een brede selectie van gezonde tanden om een statistisch middel element concentratie scatter bieden; elke afwijking buiten die statistische limiet kan dan worden geassocieerd met carieus weefsel. Anderzijds, het algoritme "getraind" om alleen spectrale kenmerken die mogelijk zijn geassocieerd met cariës omdat andere elementaire concentraties ook kunnen veranderen als gevolg van andere oorzaken zijn (bijvoorbeeld de aanwezigheid van een tand vulling). Rekening houden oorzaken zoals die genoemde aanvullende discriminant modellen nodig worden toegevoegd om het effect van cariës ondubbelzinnige identificatie. Figuur 2 Principe van monsteridentificatie /screening toepassingen op basis discriminantanalyse, hier voor waarschuwing bij gezonde tand materiaal gericht tijdens laserboren.
Talrijke algoritmen bestaan die kunnen worden gebruikt om de gelijkenis van een gemeten spectrum ervan met de trainingsset . Hier is de beschrijving beperkt tot het algoritme van belang, namelijk de zogenaamde Mahalanobis Afstand
methode.
Om Mahalanobis Afstand
(M.Dist), hoofdcomponentenanalyse
berekenen (PCA) wordt gebruikt. PCA is een typische analytische benadering, die normaal gesproken deel uitmaakt van elke spectrale data analyse software pakket, en dus we onthouden hier van het verstrekken van uitgebreide informatie van een dergelijke analyse methoden en algoritmen, maar alleen een algemene procedure beeld. In PCA /M.Dist analyse oefenverzamelingen spectra worden ontleed in een reeks wiskundige spectra genoemd
factoren die, bij elkaar opgeteld, reconstrueren de oorspronkelijke spectrum. De bijdrage van elke factor maakt om elk spectrum wordt voorgesteld door een schaling coëfficiënt
, of score
, die wordt berekend voor alle factoren geïdentificeerd van de training set. Dus, door het kennen van de reeks van factoren voor de hele training set, de scores zal de spectra zo nauwkeurig als de originele antwoorden op alle golflengten vertegenwoordigen [25].
Monsters onder analyse
In deze studie onderzochten we verschillende tand monsters met en zonder cariës - overwegend molair en hoektanden van de volwassenen. Geen speciale monster behandeling werd uitgevoerd; geëxtraheerde tanden waren net gewassen in gedestilleerd water en aan de lucht gedroogd. Honderd negenenvijftig (159) geëxtraheerd tanden met verschillende mate van kennelijke cariës (123 molaren en 36 hoektanden volwassenen), die werden beoordeeld met behulp van visuele controle door getrainde onderzoekers werden gebruikt om de resultaten die in deze publicatie. De moeilijk te detecteren tandcaries, bijvoorbeeld in kuilen of spleten, die in het algemeen niet-gepigmenteerde of witte vlek lesies werden niet in de studie. Dit was omdat histopathologische analyse juiste onderscheid tussen carieus en gezond weefsel in deze niet vanzelf gevallen, was niet beschikbaar ten tijde van de studie. Een dergelijk uitgebreide onderzoek is nu in voorbereiding, in samenwerking met twee tandartspraktijken en een ziekenhuis.
De meeste experimenten werden uitgevoerd in vitro
. Bovendien werd een proef proef ook uitgevoerd in vivo
op molaire tand van een volwassen vrijwilligers. Laatstgenoemde experiment werd uitgevoerd bij zeer lage laser bestralingssterkte, net boven het ablatie drempelwaarde waarbij de vermogensdichtheid is niet voldoende om waarneembare schade aan de tanden veroorzaken, maar toch een lichtgevend plasma ontstaat.
Resultaten en discussie
Mahalanobis Afstand werkwijze voor het afstemmen van LIBS spectra van monsters tand
om deze discriminantanalyse in de identificatie van de carieuze /gezonde weefsel monsters te testen werden tien databasevermeldingen opgebouwd uit de verzamelde spectra tien afzonderlijke discriminantanalyse
modellen vormen, vijf elk vanuit carieuze en gezonde weefsels. Zes verschillende spectrale bereiken die een scala van matrix en niet-matrix-elementen werden gebruikt; de desbetreffende spectra zijn weergegeven in figuur 3. Op deze wijze zes paar "gezonde /zieke" identificatiemiddelen werden gegenereerd. Zoals onze eerder opgemerkt, in beginsel één model zou waarschijnlijk voldoende zijn maar met meer dan één beslisser merkbaar beter over de identificatie nauwkeurigheid. Figuur 3 Geselecteerde LIBS spectra van een emaille deel van de tand, opgenomen op een locatie aangetast door cariës (volledige lijn trace) en een sound, onaangetast locatie (stippellijn trace). In de cariës getroffen gedeelte (a) Ca
vermindert ten koste van Mg
; (B) Ca
vermindert ten koste van Li
; (C) Ca
vermindert ten koste van Ba Kopen en Sr
; (D) ca Kopen en P
verminderen ten koste van Zn Kopen en C
; (E) Ca
vermindert ten koste van Na
; en (f) Ca
vermindert ten koste van de K Kopen en Mg
.
Voor het maken van de discriminantanalyse modellen een lijst van de training set spectra was gewoon in de PLS plus /IQ
programma attachment naar gram /32
spectrale evaluatie softwarepakket (Galactic software Ltd.) en met elkaar verbonden met een in-house geschreven macro-codes voor de visuele (en audio) presentatie van de resultaten van de analyse. Het programma genereerde een discriminantanalyse model voor elk monster met behulp van de in de vorige paragraaf werkwijzen, tegen welke test spectra werden gevonden. Bij het controleren van de identiteit van de "onbekende" spectra verzameld uit een reeks van tand monsters werden alle ofwel geïdentificeerd als definitieve golfreizen of mogelijk
overeenkomt met de gezonde of zieke weefsel discriminantanalyse modellen, zelfs als slechts één van de zes identifier spectrale gebieden werd gebruikt. Ondernemingen de hoofdbestanddeel van kristallijn glazuur en dentine matrixstructuur van de tand is hydroxyapatiet, Ca
10 (PO
4) 6 (OH
) 2, waarvan de absolute rijkdom is duidelijk verschillend voor gezond tandweefsel, en weefsel aangetast door cariës. Voor aangetaste tanden de relatieve concentraties van de matrix elementen Ca Kopen en P
verlagen ernstig. Anderzijds, niet-mineraliserend (non-matrix) elementen, b.v. zink, en organische materialen (het optreden van de koolstof 193 nm lijn duidt op deze) sterk toenemen; zie figuur 3d. Een vergelijkbare indicator voor het effect van cariës aanval is de aanzienlijke stijging van strontium, Sr
en barium, Ba
ten opzichte van het matrixelement Ca
; zie figuur 3c.
In de discriminantanalyse modellen hier gebruik gemaakt van de belangrijkste resultaat is de M.Dist
waarde. Afhankelijk van deze, een pas
(P) - gezond weefsel, mogelijk
(?) - Gezond /carieus weefsel of falen
(F) - carieus weefsel - resultaat was teruggekeerd in the Limits testen, gerelateerd aan name monster groepen. Proeven op honderden spectra opgenomen van een veelheid van verschillende tanden is gebleken overtuigend bewijs dat door de M.Dist
waardeert de spectra kan correct worden onderverdeeld in de twee verschillende monstergroepen, namelijk geluid, gezonde tand area
/cariës getroffen tand gebied
. Ondernemingen de M.Dist waarde is in feite een maat voor de gelijkenis van een "onbekende" spectrum aan een groep training spectra. Dus de M.Dist waarde in Discriminant Analysis-modellen de melding van een 'FAIL
"resultaat is doorgaans hoog, wat aangeeft dat de spectrale bijdragen van de afzonderlijke elementen zijn zeer verschillend voor bijv. gezond en cariës getroffen monsters. Hoe kleiner de M.Dist waarden voor een model het geven van een 'FAIL
", resulterend in minder elementaire variaties worden aangetroffen. Op deze basis statistische fluctuaties in de spectra, veroorzaakt door de onvermijdelijke puls-tot-puls intensiteit variaties, kan ook worden verantwoord in de Voorspelling Module
door aanpassing van de M.Dist PASS /FAIL
grenzen naar behoren [25].
Zoals bij alle Multivariate Kwantitatieve analyse zal, zorgvuldige toepassing is vereist als de techniek zowel correct en met succes worden toegepast. Bijvoorbeeld, de grenzen waarbinnen de M.Dist waarden duiden op een match status van PASS, MOGELIJKE golfreizen of FAIL
worden vaak standaard gedefinieerd als & lt; 2, 2-3 en & gt; 3, respectievelijk. Bijvoorbeeld, Raman spectroscopists vaak gebruik waarden groter dan deze, b.v. & Lt; 5, 5-15, en & gt; 15, respectievelijk. Daarom zijn deze beperkingen altijd vooraf worden bepaald teneinde een praktische toepassing, zoals onderscheid tussen gezonde en cariës aangetast tandmateriaal. De factoren, die deze beperkingen bij LIBS analyse dicteren (i) spectrum reproduceerbaarheid en (ii) het monster tot monster homogeniteit. Door het testen van de modellen geproduceerd willekeurig verzameld spectra van monsters van het materiaal dat zij vertegenwoordigen (carieuze of geluid tandweefsel), kan het bereik van M.Dist waarden, die een positieve identificatie aan te vinden. Als dit niet wordt gedaan het model misschien verkeerd missen identificeren materialen.
Bovendien, door het zorgvuldig aanpassen van de M.Dist grenzen, kan een slechte reproduceerbaarheid in principe worden verklaard, op voorwaarde dat er voldoende elementaire verschillen in de monsters wordt gesorteerd , zodat duidelijke veranderingen in de spectrale respons worden waargenomen. Verwijzend naar 3 inderdaad grote verschillen in de spectrale signatuur van gezonde en carieuze getroffen weefsel figuur worden aangetroffen, en we hebben laten zien dat in tegenstelling tot deze duidelijke gevallen, subtiele verschillen kunnen ook worden onderscheiden (wat betekent dat ook de detectie van tandcaries moet haalbaar zijn). Dit zal hieronder verder worden besproken, ook met betrekking tot de keuze van M.Dist grenswaarden.
Tenslotte wij op te merken dat multivariate analyse vrij intuïtief voor de niet-deskundige omdat een eenvoudige grafische voorstelling van het statistische model kan normaliter niet gegeven, zoals het geval is in univariate analyse. In univariate analyse van een statistische verdeling f (x)
is uitgezet tegen de variabele x
, vertonen een breedte parameter (vertrouwen limiet) ± Ax, golfreizen of ± σ. In multivariate analyse, er zijn veel variabelen x
i
, en de functie zou een multidimensionale plot nodig. Een spectrum met tot enkele honderden datapunten (variabelen) dat niet kan worden waargenomen. De M.Dist waarde kan grof worden geïnterpreteerd als een soort van vertrouwen te beperken, vergelijkbaar met de σ in univariate analyse. Om dit punt te verduidelijken wordt een voorbeeld van univariate analyse hieronder gegeven. Merk op dat in de meeste gevallen van analytische goed opgevoede data multivariate algoritmes zullen minder fouten te bieden in vergelijking met univariate algoritmen.
Toepassing van de Mahalanobis Afstand methode om het in kaart brengen van de carieuze tanden
Uit de herhaling analyse van de spectra verzameld van verschillende tand monsters kan veilig worden geconcludeerd dat de Mahalanobis afstand algoritme had het potentieel van het verschaffen van een superieure hulpmiddel voor aanpassing LIBS spectra en identificeren "onbekende" geluid /carieus materiaal. In deze studie bereikt we dicht bij de 100% identificatie; slechts één monster werd verkeerd geïnterpreteerd tijdens onze test metingen.
Dit resultaat is opmerkelijk, omdat de verzamelde in deze studie spectra werden opgenomen voor niet-optimale instellingen. Het distale uiteinde van de optische vezel werd alleen aangebracht op een afstand van ongeveer 2 mm van het monster in vitro
toepassingen en voor de in vivo metingen
de vezel werd simpelweg met de hand vastgehouden terwijl het ablatie tand.
Elk spectrum werd verzameld voor slechts tien-laser-geïnduceerde plasma evenementen. Minder laserpulsen per spectrum werden soms te versnellen het analyseproces, maar dit ten koste van de reproduceerbaarheid spectrum en dus iets minder kans identificatie. Ondernemingen De training spectra gebruikt in deze studie werden verkregen van verschillende tooth monsters in vitro Catawiki -. namelijk van geëxtraheerd tand tandartsen geleverd
een voorbeeld voor de kracht van de analysemethode kan worden gezien in figuur 4. Hier wordt een in vitro meting werd uitgevoerd op een cariës getroffen tand vervoerd naar kaart brengen van de gebieden van de "gezonde" en "zieke" weefsel. Het spectraalgebied in dit specifieke geval is dat wordt weergegeven in Figuur 3a (in principe ook de elementen Mg Kopen en Ca
).
