基于深度学习算法的 μCT 分析：揭示冷冻保存对牙釉质微裂纹的影响

《Cryobiology》：The effect of cryopreservation on enamel microcracks – A μCT analysis using a deep learning algorithm

目前冷冻保存对牙釉质微裂纹的影响尚不明确，且传统方法难以分割牙釉质微裂纹。研究人员利用深度学习算法结合 μCT 分析，对 5 颗牙齿冷冻保存前后进行研究。结果显示冷冻保存后损伤扩大、新裂纹出现。该研究为量化冷冻保存后牙齿损伤提供新方法，助力牙科领域研究。

　　在牙齿的世界里，有一种神奇的 “搬家” 手术 —— 牙齿自体移植（Autotransplantation of a tooth），就是把牙齿从身体的一个地方移到另一个地方。过去，牙齿的根发育阶段对移植的成功与否至关重要，那些牙根发育到四分之三、根尖孔还开放的未成熟牙齿，被认为是理想的 “供体”。但符合这个条件的牙齿数量有限，使得牙齿自体移植的应用范围也受到了限制。

为了打破这个局限，科学家们想到了冷冻保存（Cryopreservation）牙齿的办法。在特定的发育阶段把牙齿冷冻起来，就可以在牙齿 “储存” 在牙库的这段时间里，准备好接受它的 “新家”—— 受体部位。然而，冷冻保存可不是一件简单的事。在低于 -196°C 的超低温下，虽然化学反应速度会大幅减缓，能保存细胞和组织的活性，但细胞内可能会形成结晶，这就像细胞里结了冰，会导致细胞内液体膨胀。为了避免这种情况，科学家们会使用像二甲基亚砜（DMSO）或甘油这样的冷冻保护剂。

虽然冷冻保存对牙周组织、牙髓组织（Pulp tissues）等牙齿软组织的影响已经研究得比较透彻，发现只要冷冻保护剂能充分扩散到牙髓，牙髓组织就能成功保存，而且研究表明经过正确的 DMSO 处理后，冷冻保存再移植的牙齿牙髓存活率能达到 96%。但是，冷冻保存对牙齿硬组织的影响却还存在很多谜团。

在冷冻保存过程中，有不少因素可能会让牙齿硬组织 “受伤”。比如，根尖孔太小，冷冻保护剂很难充分渗透到牙髓软组织，这会导致牙髓组织膨胀，可能引发牙齿硬组织出现裂纹。而且，牙齿在冷冻和解冻时，表面和内部的温度差异会产生热梯度，从而引起不均匀的膨胀或收缩，产生机械应力。牙齿不同组织的热膨胀系数不同，在釉质 - 牙本质界面也可能因为这种差异产生应力，进而导致裂纹形成。

目前，研究冷冻保存对牙齿硬组织影响的文献并不多。过去的研究有的没有在冷冻保存前后对牙齿进行对比扫描，有的通过显微镜检查也没能确定解冻后是否有裂纹发展，还有的虽然发现冷冻保存的牙根有小裂纹，但非冷冻保存的牙根也有类似情况，难以确定冷冻保存和裂纹之间的关系。另外，想要找到并研究牙釉质微裂纹（Enamel microcracks）也困难重重。现有的检测方法，比如染色技术、显微镜、X 射线 μCT、扫描电子显微镜（SEM）分析或激光等，都有各自的缺点，不是穿透深度有限，就是扫描范围受限，样本准备过程还可能破坏牙齿结构，而且识别和量化裂纹的工作量巨大，很难对大量样本进行研究。

在这样的背景下，来自国外的研究人员开展了一项研究，希望能揭开冷冻保存对牙釉质微裂纹影响的神秘面纱。他们的研究成果发表在《Cryobiology》杂志上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，他们选取了样本，先对 4 颗人类完全根形成的前磨牙进行预实验，优化扫描方案和分析方法，之后又挑选了 5 颗来自不同患者（年龄在 13 - 16 岁）的人类前磨牙作为最终测试样本。然后，利用深度学习算法（Deep learning algorithm），通过手动标注构建高质量的训练和测试数据集，在 Dragonfly 软件中训练一个 4 相语义分割 U - Net 架构神经网络。最后，使用微计算机断层扫描（μCT）对 5 颗牙齿在冷冻保存前后进行扫描，并运用训练好的神经网络分析数据。

研究结果

• 微裂纹可视化：研究人员成功构建了 5 颗扫描牙齿 3D 体积内微裂纹的完整分割网络，并通过补充视频 Sv1 - Sv5 展示了冷冻保存前后微裂纹的叠加情况，还通过图片展示了牙齿 A - E 在冷冻保存前后，微裂纹在咬合面和侧面的位置。
• 微裂纹特征：冷冻保存前，牙齿 A 就存在两种类型的裂纹。所有牙齿都有牙釉质微裂纹，但这些裂纹都没有延伸到牙本质。而且，所有牙齿的裂纹模式相似，可能与拔牙时使用镊子有关。冷冻保存后，损伤范围扩大，牙齿咬合面上出现了新的小裂纹。
• 微裂纹量化：从量化结果来看，冷冻保存前，平均裂纹 / 釉质比为 0.066±0.021%；冷冻保存后，这一比例变为 0.087±0.018%。

研究结论与讨论

在这项研究的条件限制下，可以得出结论：利用深度学习算法的 μCT 分析是评估牙釉质微裂纹的有效方法。由于牙釉质微裂纹非常细小，用传统工具难以分割，而这种新方法能够实现对其的评估，还为其他牙科领域研究微裂纹提供了新途径。不过，该方法也有一定的局限性，受到 μCT 对完整人类牙齿成像的空间分辨率限制，微裂纹的可见性也受到影响。

这项研究意义重大，它首次提供了一种可扩展且精确的方法来量化冷冻保存后与临床相关的牙齿损伤。这不仅有助于更深入地了解冷冻保存对牙齿的影响，还为未来在多个牙科领域开展关于牙釉质的研究开辟了道路，让科学家们能更好地探索牙齿的奥秘，为牙齿治疗和保存提供更可靠的依据。