牙齒漂白專用比色板的設(shè)計方法初探

徐英新

北京大學(xué)深圳醫(yī)院口腔科，深圳 518036

牙齒漂白是近年來發(fā)展比較快速的治療項目，其產(chǎn)品很多，對于療效的評價方法主要有2種：一是將Vitapan Classical比色板的色標(biāo)重新排序，根據(jù)治療前后變色牙色階數(shù)的變化評價療效；二是用比色儀在治療前后對變色牙測色，根據(jù)色度值的變化（ΔE）評價療效。比色板評價法的優(yōu)點是設(shè)備簡單，操作容易，但由于Vitapan Classical比色板不是專為漂白而設(shè)計，其色標(biāo)在色彩空間中的分布缺乏規(guī)律性，相鄰色標(biāo)間色差大小不同，且方向各異，并且對變色牙在色彩空間的覆蓋程度偏低，很多變色牙找不到對應(yīng)的色標(biāo)，因此影響了效果評價的準確性。比色儀比色準確，可以精確地量化評價漂白治療的效果，但其價格昂貴，目前主要用于科研工作，難以在醫(yī)療機構(gòu)全面配備。本研究的目的是通過對進行漂白治療的變色牙色度值的分析，探討能否通過統(tǒng)計學(xué)方法，設(shè)計出牙齒漂白治療專用的，可以科學(xué)、準確地評價療效的比色板，為新產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。

1 材料和方法

1.1 納入本研究的變色牙

本研究納入了2009年2月—2014年7月在北京大學(xué)深圳醫(yī)院口腔科接受牙齒漂白治療的變色牙患者67例，其中四環(huán)素牙13例，氟斑牙30例，黃牙24例?；颊吣挲g18～53歲，平均（29.0±7.2）歲。所有病例均由同一位醫(yī)生完成。

67名患者在治療前后都拍攝了照片，其中有2名患者先后進行了2次漂白治療，另有2名患者的術(shù)后照片由于不夠清晰而被排除，因此，供進行分析的對象（照片）合計136張：四環(huán)素牙25張，氟斑牙61張，黃牙50張。

1.2 納入標(biāo)準

1）全身情況：年齡18歲以上，身體健康，非妊娠期，能耐受1～2 h的診椅上治療，心理健康狀況正常，醫(yī)患溝通良好。2）牙齒情況：前牙及前磨牙為中、輕度四環(huán)素牙、氟斑牙或黃牙，牙列完整，牙齒排列整齊，無明顯牙體缺損或牙根暴露，無修復(fù)體或充填體。

1.3 漂白系統(tǒng)

采用Beyond冷光美白系統(tǒng)（普洋科技公司，美國）進行漂白治療。其原理是將波長介于480～520 nm之間的高強度藍光，經(jīng)由光纖傳導(dǎo)，再經(jīng)過特殊光學(xué)處理，隔除一切有害的紫外線與紅外線，將過氧化氫和直徑為20 nm的二氧化硅等為主體的漂白劑，快速滲透到牙齒的表面及深層，與所附著的色素產(chǎn)生氧化還原作用，從而達到漂白的效果。

1.4 治療過程

首先向患者交待漂白治療的過程、原理、可能的效果，簽知情同意書；然后將Vitapan Classical比色板（Vita公司，德國）的色標(biāo)按照從“白”到“黑”重新排列，16塊色標(biāo)主要根據(jù)明度重新排列，即1～16對應(yīng)B1、A1、B2、D2、A2、C1、C2、D3、A3、D4、B3、A3.5、B4、C3、A4、C4。漂白治療前后分別比色，并用帶有100 mm微距鏡頭和環(huán)形閃光燈的專業(yè)單反數(shù)碼相機（佳能公司，日本）拍攝全牙列正面口內(nèi)像。治療時先清潔牙面去除菌斑，再使用牙齦保護劑保護牙齦，然后涂布美白凝膠，使用美白儀光照12 min，連續(xù)進行3次。

術(shù)前比色由經(jīng)治醫(yī)師之外的2位醫(yī)師分別獨立進行。有的變色牙無法找到對應(yīng)色標(biāo)[1]，此時比色醫(yī)師可以選擇“放棄”，如2位醫(yī)師均選擇“放棄”，請第三位醫(yī)師選擇Vita 3D-Master比色板的色標(biāo)替代比色；如果一個“放棄”，另一個選擇了對應(yīng)色標(biāo)，所選色標(biāo)即被確定為對應(yīng)色標(biāo)；如果都選擇了對應(yīng)色標(biāo)，而2位的選擇不一致，則再請第三位醫(yī)師裁決；如果2位的選擇一致，所選即為對應(yīng)色標(biāo)。

術(shù)后比色在治療結(jié)束后1周時進行，此時患者牙齒顏色比較穩(wěn)定，由經(jīng)治醫(yī)師和術(shù)前比色醫(yī)師之外的2位醫(yī)師分別獨立進行，必要時請第三位醫(yī)師裁決。

1.5 數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計方法

1.5.1 變色牙色度值的測量 首先，建立變色牙圖片庫。治療前后拍攝的全牙列正面口內(nèi)像是按美國美容牙科協(xié)會的標(biāo)準，每張照片同時包括上下頜前牙、前磨牙及對應(yīng)比色板色標(biāo)，手動模式，手動對焦，拍攝比例1︰3，光圈F22，快門速度1/200，閃光燈強度M/8，ISO200。第二步，確定標(biāo)準光源下Vita比色板色標(biāo)中1/3的色度值。由于廠家并未給出該值，參照文獻[2-7]，去除數(shù)值最高組和最低組，取平均值，確定為色度值數(shù)據(jù)。第三步，使用Photoshop軟件測量變色牙的色度值。首先使用Photoshop 7.0軟件（Adobe公司，美國）打開一張拍攝的照片，選擇菜單中“圖像—模式—Lab顏色”調(diào)整圖片為該軟件的Lab顏色模式；然后選取照片中Vita比色板色標(biāo)中部一點作為色標(biāo)測色點，選擇菜單中“圖像—直方圖”對該點測色；測得的結(jié)果一般都會與前面確定的標(biāo)準光源下色度值存在差異，這時通過選擇菜單中“圖像—調(diào)整—曲線”對整張圖片的亮度（L*）、紅綠度（a*）、黃藍度（b*）進行調(diào)整（圖1），直到測色點的色度值與標(biāo)準光源下色度值完全一致為止。此時再選取上中切牙中部一點測色（圖2），即可認為測得值非常接近標(biāo)準光源下該變色牙的色度值。

為減小誤差，請未參與過本實驗前期比色及治療工作的另外3位醫(yī)師分別獨立測量漂白前后全部照片的數(shù)據(jù)，漂白前與漂白后照片測量間隔1個月，反復(fù)2遍，每張照片所得的6個測量數(shù)據(jù)去掉最大和最小值，再取平均值作為最終測量值。

需要說明的是，Photoshop軟件下的Lab值與CIE（國際照明委員會）L*a*b*不同，其差異為[8]：LPhotoshop值范圍：0～255；aPhotoshop值范圍：0～255；bPhotoshop值范圍：0～255。L*CIE值范圍：0～100；a*CIE值范圍：-120～120；b*CIE值范圍：-120～120。在圖片分析時，需將Vita比色板色標(biāo)的CIE L*a*b*轉(zhuǎn)化Photoshop軟件下的Lab；測得Photoshop軟件下變色牙的Lab后，根據(jù)推導(dǎo)轉(zhuǎn)化公式[8]還要再轉(zhuǎn)化為CIE L*a*b*。

1.5.2 比色板的設(shè)計 通過對變色牙色度值的分析，用統(tǒng)計學(xué)方法設(shè)計比色板。本研究設(shè)計的比色板色標(biāo)在色彩空間中沿著穿過變色牙所在區(qū)域中心，與亮度軸平行的一條直線排列，這些色標(biāo)對應(yīng)的a*、b*值分別是變色牙a*、b*值的均值，不同色標(biāo)對應(yīng)不同的L*值。采用SPSS 19.0軟件通過對變色牙的L*值進行系統(tǒng)聚類分析來確定色標(biāo)的L*值。

圖1 調(diào)整圖片的Lab值Fig 1 Adjust Lab of pictures

圖2 測量變色牙Lab值Fig 2 Measure Lab values of discolored teeth

具體過程是：首先輸入數(shù)據(jù)，包括“患者編號”，“L*值”，然后選擇“分析—分類—系統(tǒng)聚類”，“變量”為“L*值”，“個案”為“患者編號”，按照“個案”分群，“最小聚類數(shù)”設(shè)為2類，“最大聚類數(shù)”可以根據(jù)個案數(shù)設(shè)定，甚至可以每個個案自成一類，“聚類方法”為“Ward法（最小方差法）”，“度量區(qū)間”為“平方Euclidean距離”，“轉(zhuǎn)換值”按“個案”進行“Z得分”標(biāo)準化。

1.5.3 設(shè)計出的比色板色標(biāo)與變色牙間色差的評價計算每塊色標(biāo)與其對應(yīng)的變色牙間的色差值的大小判斷顏色的接近程度，計算公式為：ΔL*=L*變色牙－L*色標(biāo)；Δa*=a*變色牙－a*色標(biāo)；Δb*=b*變色牙－b*色標(biāo)。色差值ΔE=（ΔL*2+Δa*2+Δb*2）1/2。

a*色標(biāo)及b*色標(biāo)值為變色牙a*及b*的均值，L*色標(biāo)則為聚類后，每組中各變色牙L*值的均值。通過這一公式不但能計算變色牙與本研究設(shè)計的比色板色標(biāo)間的色差值，還能夠計算變色牙與Vitapan Classical比色板色標(biāo)間的色差值，前期研究[1]中也進行過統(tǒng)計分析，兩者間可以進行比較。

1.6 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 19.0軟件對實驗結(jié)果進行分析，對3種變色牙的L*值及b*值，采用Kruskal-Wallis秩和檢驗進行分析；對a*值，采用單因素方差分析（oneway ANOVA）進行分析，檢驗水準α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 Vita比色板的色度值

通過資料分析確定標(biāo)準光源下Vita比色板色標(biāo)中1/3的色度值。

2.2 3種變色牙的色度值

3種變色牙的色度值見表1。

表1 3種變色牙的色度值Tab 1 Color values of three kinds of discolored teeth

2.2.1 L*的比較 3組間L*值比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（H=21.188，P=0.000）。進一步比較，四環(huán)素牙與氟斑牙（χ2=－3.140，P=0.002）、黃牙與氟斑牙（χ2=4.267，P=0.000）間差異有統(tǒng)計學(xué)意義，氟斑牙亮度偏高；四環(huán)素牙與黃牙間比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（χ2=0.275，P=0.784）。

2.2.2 a*的比較 3組間a*值比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（F=4.215，P=0.017）。進一步比較，四環(huán)素牙與黃牙間差異有統(tǒng)計學(xué)意義，四環(huán)素牙偏紅。

2.2.3 b*的比較 3組間b*比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（H=0.445，P=0.800）。

2.3 比色板的設(shè)計

2.3.1 四環(huán)素牙比色板的設(shè)計 Vitapan Classical比色板共計16塊色標(biāo)，四環(huán)素牙一般對應(yīng)C及D組7塊色標(biāo)。為了臨床使用方便，設(shè)計的四環(huán)素牙比色板色標(biāo)數(shù)確定為5～7塊，對四環(huán)素牙的L*值進行了5～7聚類。5聚類時，25例四環(huán)素牙被分為5組，每組四環(huán)素牙的L*值取平均值，代表該組的四環(huán)素牙比色板色標(biāo)的L*值（表2），6聚類、7聚類同理。全部色標(biāo)的a*值及b*值固定為全部四環(huán)素牙a*值及b*值的均數(shù)（4.8和13.0）。5～7聚類時，色標(biāo)與其對應(yīng)的四環(huán)素牙間平均色差均為5.0±2.4（表2）。聚類分析時設(shè)定的最大聚類數(shù)為個案數(shù)，此時變色牙與色標(biāo)間ΔL*為0，ΔE達到理論上的最小值，為4.9±2.4。5～7聚類時的ΔE都非常接近最小值。

2.3.2 氟斑牙比色板的設(shè)計 與四環(huán)素牙相同，氟斑牙也固定了a*、b*值，分別為3.8、14.5；對L*值也進行了5～7聚類，并分別計算了色標(biāo)與氟斑牙間的色差值（表3）。ΔE可能達到的最小值為5.4±5.2，5～7聚類時的ΔE與之非常接近。

2.3.3 黃牙比色板的設(shè)計 設(shè)計思路與四環(huán)素牙和氟斑牙相同，a*、b*值分別為3.0、13.8，L*值的5～7聚類結(jié)果見表4，ΔE可能達到的最小值為3.4±2.0，也與5～7聚類時的ΔE非常接近。

表2 四環(huán)素牙L＊值的5～7聚類及色標(biāo)與變色牙色差值Tab 2 5-7 clusters of L＊ values of tetracycline teeth and color difference between shade tabs and discolored teeth

表3 氟斑牙L＊值的5～7聚類及色標(biāo)與變色牙色差值Tab 3 5-7 clusters of L＊ values of mottled-enamel teeth and color difference between shade tabs and discolored teeth

表4 黃牙L＊值的5～7聚類及色標(biāo)與變色牙色差值Tab 4 5-7 clusters of L＊ values of yellow teeth and color difference between shade tabs and discolored teeth

3 討論

本研究首先對接受漂白治療的變色牙進行了分類。四環(huán)素牙、氟斑牙是由于四環(huán)素的不當(dāng)使用及攝氟量超標(biāo)造成；而黃牙泛指除前二者外，對自身牙齒顏色不滿意要求漂白的患者：有的是飽和度高，有的是亮度低，有的顏色完全正常，甚至是比較白的；病因有的是由于釉質(zhì)透明度高，有的是由于牙齒磨損釉質(zhì)變薄，有的牙齒天生偏黃，有的接受了長時間的正畸治療導(dǎo)致色素的深層滲透，用噴砂、拋光等方法都不能去除，由于其主色調(diào)均為黃色調(diào)，將其歸為一類。

通過對Vitapan Classical比色板色標(biāo)的重新排列對牙齒漂白的效果進行評價，是一種在臨床中廣泛應(yīng)用的評價方法，但已經(jīng)有多項研究認為其評價準確性欠佳。筆者研究發(fā)現(xiàn)：64%的四環(huán)素牙和28%的氟斑牙在該比色板中找不到對應(yīng)色標(biāo)，只有黃牙全部能找到對應(yīng)色標(biāo)；能找到對應(yīng)色標(biāo)的四環(huán)素牙、氟斑牙及黃牙與Vitapan Classical比色板色標(biāo)的色差（ΔE）分別為12.33±3.80、5.72±2.20、4.93±1.55[1]。美國牙科協(xié)會規(guī)定：2.0是比色板與牙齒間色差的容忍值[9]，在臨床實踐中，2.0的色差值很難達到。有研究[10]發(fā)現(xiàn)在口腔環(huán)境中，比色板色標(biāo)與牙齒間的平均色差達3.7。3種變色牙與Vitapan Classical比色板色標(biāo)的色差值不僅高于2.0的標(biāo)準，也高于臨床實踐中一般牙齒比色的色差值3.7，確實存在比色不準的問題。同時，該比色板的色標(biāo)在色彩空間中分布散亂，間距不等，位置各異，沒有規(guī)律[11]，因此，其對漂白效果的評價結(jié)果難以科學(xué)、準確地解讀。牙齒漂白的效果主要體現(xiàn)在L*的提高，同時伴隨飽和度的降低，用比色儀對色標(biāo)進行的測色研究[3]和醫(yī)生們對無標(biāo)記的色標(biāo)從“白”到“黑”排序的研究[12]發(fā)現(xiàn)：即使色標(biāo)重排后，其色標(biāo)也不是嚴格的從“白”到“黑”，這更降低了其評價效能。

由于比色儀價格昂貴，難以在醫(yī)療機構(gòu)中廣泛使用，筆者認為有必要重新設(shè)計比色板。設(shè)計要求是：1）其色標(biāo)在色彩空間中的分布有規(guī)律；2）漂白前后比色結(jié)果間的比較有清楚、準確的科學(xué)意義；3）色標(biāo)與對應(yīng)的變色牙間色差值盡量小。漂白主要通過提高變色牙的亮度使變色牙顯得更白，比色板按照L*對色標(biāo)進行排序是最合理的設(shè)計[13]。為了滿足以上3個設(shè)計要求，筆者的設(shè)計思路是：1）色標(biāo)值在色彩空間中沿一條直線排列；2）固定色標(biāo)的a*、b*值，色標(biāo)的變化即L*的變化。通過這兩條可以實現(xiàn)第一、第二項設(shè)計要求。為了實現(xiàn)第三條設(shè)計要求，選擇對L*值進行系統(tǒng)聚類分析來使變色牙與對應(yīng)色標(biāo)間ΔE盡量小。

在進行具體設(shè)計之前，先要獲得標(biāo)準光源下變色牙的色度值數(shù)據(jù)。如果有可靠的比色儀，用比色儀直接測色是比較好的選擇，在沒有比色儀的情況下，按照筆者的實驗方法也是可行的。在漂白前后都拍攝了照片，每張照片既有變色牙，也有對應(yīng)的Vita比色板色標(biāo)，色標(biāo)就成為變色牙顏色的參照物。首先用Photoshop軟件測量Vita色標(biāo)的色度值，與已經(jīng)掌握的標(biāo)準光源下Vita色標(biāo)的色度值對比，繼而調(diào)整整張照片的亮度、紅綠度及黃藍度，直至照片上Vita色標(biāo)的色度值與標(biāo)準光源下該色標(biāo)的色度值相同，此時再測量變色牙的色度值。雖然由于色標(biāo)與變色牙在拍照時位置的差異可能帶來曝光量的差異而影響了二者間的可比性，但可以認為通過這種調(diào)整測得的變色牙色度值數(shù)據(jù)已經(jīng)非常接近標(biāo)準光源條件下的色度值了。

測色的位點是牙體中1/3處，因為切端半透明性較高，亮度高而飽和度低，頸部釉質(zhì)薄，亮度低而飽和度高，牙體中部的色度值能更好地體現(xiàn)牙齒整體顏色，比色板也選取同樣位點進行對比。由于采用環(huán)形閃光燈補光，常在牙體正中形成反光點或帶，選取位點時要注意避開。

首先分別計算了四環(huán)素牙、氟斑牙和黃牙的L*、a*及b*，發(fā)現(xiàn)四環(huán)素牙的顏色偏紅，氟斑牙的亮度比較高，在臨床實踐中，也可感到這3種變色牙的顏色各有特點，因此，筆者為每種變色牙分別設(shè)計了比色板。每塊比色板的色標(biāo)都有相同的a*、b*值，即每種變色牙a*、b*值的均值。

為實現(xiàn)合理的L*值的設(shè)計，采用了系統(tǒng)聚類分析法建立數(shù)學(xué)模型：首先，所有變色牙之間的ΔL*都通過軟件進行計算；然后，L*最為接近的兩兩一組分組（最小差值原則），稱為二元素類，重復(fù)上述過程，建立更大的類；最后，所有的對象（變色牙）就歸入一個巨類，為一個樹狀分布圖，分的類越多，就越接近樹的末梢，分的類越少，就越接近樹的主干。樹狀模型建立以后，還應(yīng)該考慮對于一個特定人群，多少類是合適的（多少色標(biāo)是合適的），方法是：觀察數(shù)據(jù)自然分類如何；根據(jù)實踐經(jīng)驗，人為確定分類數(shù)量。通過對已有比色板的分析，認為新設(shè)計的三塊比色板各有5～7塊色標(biāo)是合適的。

按照這一思路設(shè)計的比色板，相較現(xiàn)有的用于漂白療效評價的Vitapan Classical比色板色標(biāo)排列更加有規(guī)律，由于漂白前后色階數(shù)的變化對應(yīng)的是亮度值的變化，因此對療效的評價更加準確和科學(xué)。但其顏色與變色牙的顏色是否更加接近呢？筆者發(fā)現(xiàn)，按照這種方法設(shè)計的比色板，色標(biāo)與對應(yīng)變色牙間的ΔE都超過了2.0，四環(huán)素牙與氟斑牙都超過了3.7，還是不夠理想，但與Vitapan Classical比色板相比，顯然顏色匹配性更好[1]。必須指出的是，通過對已有變色牙色度值的分析設(shè)計出比色板，再與已有變色牙間進行色差值計算，這可能會使算得的ΔE較真實值偏小。更為準確的方法是選擇一組新的臨床病例，把虛擬設(shè)計出的比色板實體化，用于漂白前后比色，再計算色標(biāo)與變色牙間的色差值，這樣就能得到ΔE的真實值，將在今后的研究中進一步探索。當(dāng)然，也有辦法使ΔE小于2.0，甚至更小，這就是將L*、a*、b*同時聚類，如果設(shè)計的比色板是為特定人群的修復(fù)體制作而設(shè)計，這種聚類方法就會得到非常理想的比色板，但由于是為漂白效果的評價而設(shè)計，還要更多地考慮色標(biāo)排列的規(guī)律性和結(jié)果解讀的科學(xué)性、準確性，這就不得不部分犧牲色標(biāo)與變色牙間顏色的匹配性。

本研究存在以下不足：1）由于漂白治療是近年來才在國內(nèi)大范圍開展，選擇病例比較慎重，尤其注意通過醫(yī)患交流觀察患者的心理狀況，因此病例總數(shù)偏少，即使全部病例也不超過百例，難以按照統(tǒng)計學(xué)方法抽樣，可能影響數(shù)據(jù)的代表性，本文的意義更主要在于使用系統(tǒng)聚類分析法這一理想模型來實現(xiàn)比色板的個性化和精準化，為牙齒漂白專用比色板的設(shè)計提供了一個新的研究方向；2）任何一個新的方法需要反復(fù)實踐證明，本研究的設(shè)計方案和研究結(jié)果還有待進一步完善，如Photoshop軟件測量變色牙色度值的手動調(diào)整等關(guān)鍵研究步驟是根據(jù)該軟件的功能做出的設(shè)計，其準確性還有待進一步研究的檢驗。

通過本項研究，認為：目前采用Vitapan Classical比色板色標(biāo)重新排列來評價牙齒漂白療效的方法是可以改進的，改進的方法之一是設(shè)計牙齒漂白專用比色板；設(shè)計的新比色板色標(biāo)排列要有規(guī)律，能清楚而準確地闡釋漂白的療效，并與變色牙的顏色匹配；系統(tǒng)聚類分析法是一種可以用來輔助設(shè)計這種比色板的方法；要準確地判斷設(shè)計出的比色板實際效果如何，還需將設(shè)計實體化，在臨床實踐中檢驗。

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