Diagnostic validity of early proximal caries detection using near-infrared imaging technology on 3D range data of posterior teeth

OBJECTIVES This in vitro study analysed potential of early proximal caries detection using 3D range data of teeth consisting of near-infrared reflection images at 850~nm (NIRR). MATERIALS AND METHODS Two hundred fifty healthy and carious permanent human teeth were arranged pairwise, examined with bitewing radiography (BWR) and NIRR and validated with micro-computed tomography. NIRR findings were evaluated from buccal, lingual and occlusal (trilateral) views according to yes/no decisions about presence of caries. Reliability assessments included kappa statistics and revealed high agreement for both methods. Statistical analysis included cross tabulation and calculation of sensitivity, specificity and AUC. RESULTS Underestimation of caries was 24.8% for NIRR and 26.4% for BWR. Overestimation was 10.4% for occlusal NIRR and 0% for BWR. Trilateral NIRR had overall accuracy of 64.8%, overestimation of 15.6% and underestimation of 19.6%. NIRR and BWR showed high specificity and low sensitivity for proximal caries detection. CONCLUSIONS NIRR achieved diagnostic results comparable to BWR. Trilateral NIRR assessments overestimated presence of proximal caries, revealing stronger sensitivity for initial caries detection than BWR. CLINICAL RELEVANCE NIRR provided valid complement to BWR as diagnostic instrument. Investigation from multiple angles did not substantially improve proximal caries detection with NIRR

Comparison of novel and established caries diagnostic methods: a clinical study on occlusal surfaces

BACKGROUND The purpose of this prospective clinical diagnostic study with validation was to compare the diagnostic accuracy of near-infrared transillumination (NIRT), laser fluorescence measurement (LF), alternating current impedance spectroscopy (ACIS) and their combinations as adjunct methods to visual examination (VE) for occlusal caries detection using a hybrid reference standard. METHODS Ninety-six first and second non-cavitated permanent molars from 76 individuals (mean age 24.2) were investigated using (VE) (ICDAS) and bitewing radiography (BWR), as well as NIRT, LF and ACIS. The findings of BWR and NIRT were evaluated by two examiners while the other examinations were conducted by one calibrated dentist. The hybrid reference standard consisted of non-operative validation based on the results of VE and BWR and operative validation. Statistical analysis included cross-tabulations, calculation of sensitivity, specificity and area under the receiver operating characteristic curve at three diagnostic thresholds: caries in general, enamel caries and dentin caries. RESULTS NIRT, LF and ACIS exhibited high sensitivity for caries in general 1.00 (1.00-1.00), 0.77 (0.65-0.88), 0.75 (0.63-0.87)) and for dentin caries (0.97 (0.91-1.03), 0.76 (0.76-0.90), 0.64 (0.47-0.80). Sensitivity values for enamel caries were weak (0.21, 0.11, 0.37). Specificity values did not fall below 0.65 (NIRT) for all categories and methods, except for NIRT at the caries detection threshold (0.27). A combination of LF and ACIS with VE improved the diagnostic performance at the overall and the enamel caries threshold. The other methods showed fair to excellent discrimination at the overall caries threshold (NIRT 0.64, LF 0.89 and ACIS 0.86) and acceptable discrimination at the dentin caries threshold (NIRT 0.82, LF 0.81 and ACIS 0.79). AUROC for enamel caries exhibited the weakest discrimination. Accuracy was 65.6{\%} for VE, 69.8{\%} for BWR, 50.0{\%} for NIRT, 53.1{\%} for LF and 74.0{\%} for ACIS. Reliability assessment for BWR and NIRT showed at least substantial agreements for all analyses. CONCLUSIONS The methods, NIRT, LF and ACIS, revealed different potential but no impeccable performance for occlusal caries detection. All are suitable instruments to detect hidden carious lesion in dentin. As auxiliaries to VE, LF and ACIS showed an increase in diagnostic performance

Lichtoptische Methoden zur Diagnostik von Schmelz- und Dentinkaries

Die Beurteilung neuartiger Kariesdiagnostiksysteme hinsichtlich ihrer Reliabilität und Genauigkeit anhand von Daten, die in klinischen Studien und in In-vitro-Analysen gewonnen werden, ist von großer Bedeutung, um sie für moderne nicht-invasive oder minimal-invasive Behandlungskonzepte nutzen zu können. In dieser Habilitationsschrift berichten sieben Originalarbeiten von In-vitro-Studien, in denen etablierte und innovative Diagnostikmethoden mittels mikrocomputertomographischer Untersuchung validiert worden sind. Weitere sechs Originalarbeiten basieren auf Daten, die In-vivo-Studien entstammen. Der Schwerpunkt wurde auf spezielle Anwendungsformen der Transillumination und der Reflexion gelegt. Zwei weitere Originalarbeiten beschreiben Untersuchungen zu lichtoptischen Eigenschaften von gesundem und kariösem Schmelz und Dentin gemessen an Zahnschnitten im Wellenlängenbereich zwischen 400-780 nm. Die fünfzehn hier vorgestellten Originalarbeiten bilden im Überblick eine umfassende Analyse zweier vielversprechender innovativer lichtoptischer Methoden zur Detektion von okklusalen und approximalen Primärläsionen, nämlich der Nahinfrarot-Transillumination und Reflexion, und liefern Vergleichsmöglichkeiten zu den etablierten tagtäglich angewendeten Diagnostikmethoden, der visuellen Inspektion und der Bissflügelröntgenaufnahme. Sowohl die Nahinfrarot-Transillumination als auch die Nahinfrarot-Reflexion beruhen auf demselben physikalischen Prinzip. Bei beiden Methoden wird das Licht an den durch Karies vergrößerten Poren des Zahnhartgewebes gestreut. Der Unterschied zwischen den beiden Ansätzen liegt, in der Anordnung von Lichtquelle und Detektor. Bei der Transillumination sind die Lichtquellen so gegenüberliegend am Zahn angeordnet, dass eine möglichst homogene Illumination erzeugt wird. Der Sensor ist okklusal montiert, um den transilluminierten Zahn mit möglichst wenig direkten Lichteinfall aufnehmen zu können. Bei der Reflexion dagegen sind die Lichtquelle und der Detektor nebeneinander angeordnet, sodass das reflektierte Licht vom Sensor registriert werden kann. Die Nahinfrarot-Transillumination zeigte eine hohe diagnostische Genauigkeit, die besonders in der Früherkennung von Approximalkaries höhere Sensitivitäts- und Spezifitätswerte aufwies als die Bissflügelröntgentechnologie. Die diagnostische Inter- und Intra-Untersucher-Reliabilität zeigte mit der Bissflügelröntgentechnik vergleichbar gute Werte. Hinsichtlich der diagnostischen Genauigkeit zur Detektion okklusaler Läsionen zeigte die Nahinfrarot-Transillumination schlechtere Genauigkeitswerte gegenüber der visuellen Inspektion und Bissflügelröntgentechnologie. In der Okklusalkariesdiagnostik zeigte sich die Stärke dieser Methode in der Detektion okklusal versteckter Dentinläsionen. Unter Miteinbeziehung aller Läsionen erwies sich dagegen die visuelle Inspektion gegenüber allen anderen Methoden als überlegen. Die Bildqualität der Transilluminationsaufnahmen konnte mit High-Definition-Range-Imaging-Technik verbessert werden, ohne dass statistisch signifikante Unterschiede zu den konventionell aufgenommenen Befunden kalkuliert werden konnten. Die Nahinfrarot-Reflexion wurde ausschließlich im Rahmen von In-vitro-Studien untersucht und validiert. Es wurden unterschiedliche diagnostische Systeme betrachtet, die die Reflexion bei 780 oder 850 nm an permanenten Seitenzähnen zur Detektion von Approximalkaries verwendeten. Hierbei handelte es sich sowohl um kommerziell erhältliche Systeme als auch um selbstentwickelte Prototypen. Zusammenfassend wies die Reflexion im niedrigen Nahinfrarotspektrum einige Probleme hinsichtlich der Bildqualität auf. Viele vorwiegend initiale Läsionen konnten aufgrund von Reflexionsartefakten nicht visualisiert werden. Auch eine eindeutige Abgrenzung von Schmelz- und Dentingewebe war in vielen Fällen nicht möglich, sodass eine differenzierte Diagnose der Läsionen nicht gestellt werden konnte. Eine zuverlässige Erkennung von Approximalkaries war also anhand der hier untersuchten Systeme zur Reflexion nicht möglich und konnte nicht für den klinischen Gebrauch empfohlen werden. Ein vielversprechender Ansatz stellte die Kombination einer Scanner-Funktion mit der Erfassung dreidimensionaler Daten der Zahnreihen und der lichtoptischen Diagnostikfunktion dar. Diese Technik nahm den Zahn von mehreren Blickwinkeln auf und bot hiermit eine weitere Möglichkeit die Limitationen lichtoptischer Diagnostiksysteme zu reduzieren. Allerdings zeigte die Möglichkeit zur dreidimensionalen Beurteilung von Approximalflächen keinen signifikanten Benefit zur diagnostischen Gesamtgenauigkeit der Methoden im Vergleich zur eindimensionalen Beurteilung. Beide neuartigen lichtoptischen Prinzipien, die Transillumination und die Reflexion, blieben durch einen entscheidenden Nachteil der Bissflügelröntgenaufnahme unterlegen: Sie ermöglichten nicht die Beurteilung kariöser Läsionen hinsichtlich ihrer Tiefe und ihrer Relation zur Pulpa. Dies bedeutet für den praktisch arbeitenden Zahnarzt häufig einen Informationsmangel und macht in vielen Fällen die Anfertigung von Bissflügelaufnahmen notwendig. Im Laufe der letzten beiden Jahrzehnte vollzog sich kontinuierlicher Wechsel digitaler Röntgensensoren in der Zahnmedizin von CCD (charged coupled device)- zu CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor)- Sensoren. Es wurde kein signifikanter Unterschied in der diagnostischen Leistung zur Erkennung von Approximalkaries zwischen den Sensortechnologien und verschiedenen Belichtungszeiten festgestellt. Das CMOS-basierte System zeigte bei längeren Belichtungszeiten subjektiv kontrastreichere Bilder, allerdings auf Kosten einer höheren Strahlendosis. Es bestätigte sich außerdem die bereits bekannte Tatsache, dass digitale Bissflügelröntgenaufnahmen nicht für eine zuverlässige Erkennung von approximaler Initialkaries geeignet sind. Anhand von Transmissionsmessungen und goniometrischen Untersuchungen an Zahnschnitten konnte gezeigt werden, dass mit monochromatischem Licht zwischen 405 und 780 nm ein messbarer Unterschied zwischen den einzelnen Abschnitten einer Dentinkaries messbar wurde. Dieser Kontrast wurde mit steigender Wellenlänge des Lichtes deutlicher. Eine Berechnung des Abschwächungskoeffizienten analog zum Lambertbeer`schen Gesetz, wie sie in vielen anderen Studien zuvor angewendet wurde, erwies sich als unzulässig, weil sich dieser Wert in Abhängigkeit der Schichtstärke der Proben variabel zeigte. Des Weiteren konnte ein messbarer signifikanter Unterschied zwischen gesundem Dentin in der Nähe kariöser Läsionen und vollständig kariesfreiem Dentin gemessen werden. Diese Ergebnisse deuteten nicht nur auf das Vorhandensein von Tertiärdentin hin, sondern wiesen auch auf die Möglichkeit hin die Tiefe kariöser Läsionen im Dentin genauer definieren -messen- zu können. Die Ergebnisse dieser Habilitationsarbeit zeigen, dass das diagnostische Potential der Nahinfrarot-Transillumination und -Reflexion in niedrigeren Nahinfrarotspektrum (780- 850 nm) noch nicht ausgeschöpft ist. Anhand verschiedener technischer Optimierungsansätzen könnten Reliabilität und diagnostische Genauigkeit gesteigert werden und sogar eine genauere Bestimmung des Schweregrades kariöser Läsionen könnte bei der Entwicklung zukünftiger Systeme umgesetzt werden. Die Anwendung von Wellenlängen zwischen 1.000 und 1.600 nm könnte das diagnostische Potential von Reflexion und Transillumination weiter steigern. Technischer Fortschritt entsprechender Sensoren und deren Anwendung und Weiterentwicklung in neuen Diagnostiksystemen basierend auf den lichtoptischen Eigenschaften von Zähnen sollten im Fokus zukünftiger Projekte liegen

Attenuation of near-ultraviolet, visible and near-infrared light in sound and carious human enamel and dentin

Objectives This in vitro study aimed to investigate the optical attenuation of light at 405, 660 and 780 nm sent through sound and carious human enamel and dentin, including respective individual caries zones, as well as microscopically sound-appearing tissue close to a carious lesion. Materials and methods Collimated light transmission through sections of 1000-125-mu m thickness was measured and used to calculate the attenuation coefficient (AC). The data were statistically analysed with a MANOVA and Tukey's HSD. Precise definition of measurement points enabled separate analysis within the microstructure of lesions: the outer and inner halves of enamel (D1, D2), the translucent zone (TZ) within dentin lesions and its adjacent layers, the enamel side of the translucent zone (ESTZ) and the pulpal side of the translucent zone (PSTZ). Results The TZ could be distinguished from its adjacent layers and from caries-free dentin at 125 mu m. Sound-appearing dentin close to caries lesions significantly differed from caries-free dentin at 125 mu m. While sound and carious enamel exhibited a significant difference (p 0.05). At 405 nm, no difference was found between sound and carious dentin (p > 0.05). Conclusions Light optical means enable the distinction between sound and carious tissue and to identify the microstructure of dentin caries partially as well as the presence of tertiary dentin formation. Information on sample thickness is indispensable when interpreting the AC

Inter- and intraexaminer reliability of bitewing radiography and near-infrared light transillumination for proximal caries detection and assessment.

OBJECTIVES The purpose of this in vitro study was to evaluate the inter- and intraexaminer reliability of digital bitewing (DBW) radiography and near-infrared light transillumination (NIRT) for proximal caries detection and assessment in posterior teeth. METHODS From a pool of 85 patients, 100 corresponding pairs of DBW and NIRT images (~1/3 healthy, ~1/3 with enamel caries and ~1/3 with dentin caries) were chosen. 12 dentists with different professional status and clinical experience repeated the evaluation in two blinded cycles. Two experienced dentists provided a reference diagnosis after analysing all images independently. Statistical analysis included the calculation of simple (κ) and weighted Kappa (wκ) values as a measure of reliability. Logistic regression with a backward elimination model was used to investigate the influence of the diagnostic method, evaluation cycle, type of tooth, and clinical experience on reliability. RESULTS Altogether, inter- and intraexaminer reliability exhibited good to excellent κ and wκ values for DBW radiography (Inter: κ = 0.60/ 0.63; wκ = 0.74/0.76; Intra: κ = 0.64; wκ = 0.77) and NIRT (Inter: κ = 0.74/0.64; wκ = 0.86/0.82; Intra: κ = 0.68; wκ = 0.84). The backward elimination model revealed NIRT to be significantly more reliable than DBW radiography. CONCLUSIONS This study revealed a good to excellent inter- and intraexaminer reliability for proximal caries detection using DBW and NIRT images. The logistic regression analysis revealed significantly better reliability for NIRT. Additionally, the first evaluation cycle was more reliable according to the reference diagnoses