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ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht
LOLLAR
Erklärung des Erscheinungsbildes
der intitalen Schmelzkaries im
Licht der Polymerisationslampe
Johanna Mörs
Constantin Dunker
Sam Razaeian
Schule:
Zahnklinik Marburg
Georg-Voigt-Str. 3
35033 Marburg/Lahn
Universität Kiel
Christian-Albrecht-Platz 4
24118 Kiel
Jugend forscht 2011
„Erklärung des
Erscheinungsbildes der
initialen Schmelzkaries im
Licht der
Polymerisationslampe“
Vorgelegt von Johanna Mörs, Sam Razaeian,
Constantin Dunker
Betreut von Prof. M. Gente
Inhaltsverzeichnis
1.) Kurzfassung
2
2.) Einleitung
3
3.) Einstieg in die Materie
3.1) Der makroskopische Aufbau des menschlichen Zahnes
3.2) Der mikroskopische Aufbau von Schmelz und Dentin
3.3) Was versteht man unter einer initialen Schmelzkaries?
3.4) Was ist Fluoreszenz?
3.5) Welche gängigen lichtoptischen Methoden gibt es bereits in der Kariesdiagnostik ?
3.6) Zielsetzung und Überlegung
3
4.) Material und Methode der Vorgehensweise
9
5.) Ergebnisse
5.1) Resümee
11
6.) Transfer von Theorie auf Praxis – Herstellung eines Modells
12
7.) Diskussion
14
8.) Quellen- und Literaturverzeichnis
15
9.) Anhang 1 – Auszug aus der Publikation „Demineralization Depth Using QLF
and a Novel Image Processing Software“
16
10.) Anhang 2 – Schriftverkehr mit einem der Autoren
17
1.) Kurzfassung
Eine initiale Kariesläsion im Zahnschmelz zeichnet sich durch eine scheinbar intakte Oberfläche
und Porositäten darunter aus. Mit dem bloßen Auge ist sie als weißer Fleck auf der
Zahnschmelzoberfläche zu erkennen.
Wir haben uns das Erscheinungsbild der initialen Schmelzkaries unter dem Blaulicht einer
herkömmlichen Polymerisationslampe, wie sie in jeder Zahnarztpraxis zum Aushärten von
Füllungskunststoff Gebrauch findet, direkt und durch verschiedene Filter angeschaut. Die
Untersuchungen wurden anhand extrahierter Zähne durchgeführt.
Dabei zeigte sich die Karies im Auflicht bei direkter Betrachtung als heller Fleck, bei Beobachtung
durch geeignete Filter als dunkler Fleck sowie im Durchlicht als dunkle Stelle. Ein Effekt, den man
sich in der Arbeitswelt des Zahnarztes zu Nutze machen kann, um beginnende Läsionen qualitativ
zu detektieren und den Patienten von dem pathologischen Charakter der unscheinbar wirkenden
Läsion zu überzeugen. Die Aufklärung und Anleitung zur besseren Mundhygiene hätte so eine
größere Überzeugungskraft.
Unsere Beobachtung wird in einem selbst hergestellten Modell verdeutlicht und die eigentliche
Ursache für diesen Effekt erklärt.
-2-
2.) Einleitung
Seit mehr als einem halben Jahrhundert ist das Phänomen der natürlichen Fluoreszenz der Zähne
bekannt. Inzwischen nutzt man diese Eigenschaft der Zähne für die Kariesdiagnostik. Wir, drei
Marburger Zahnmedizinstudenten im zweiten Semester, haben uns mit diesem Gebiet beschäftigt,
das von komplizierten Technologien beherrscht wird. Mit einfachen Mitteln ist es uns gelungen,
sowohl in vitro als auch in vivo interessante Beobachtungen zu machen Dafür wurde das
Erscheinungsbild einer initialen Schmelzkaries unter dem Blaulicht einer herkömmlichen
Polymerisationlampe untersucht, die in jeder Zahnarztpraxis zum Aushärten von Füllungskunststoff
Gebrauch findet. Beobachtet haben wir die Zähne durch preiswerte, aber wirkungsvolle Filter, die
das blaue Licht der Lampe blockieren und längerwelliges Licht durchlassen. Unsere
Beobachtungen werden in einem selbst hergestellten Modell verdeutlicht.
3.) Einstieg in die Materie
Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die initiale Schmelzkaries. Es handelt sich hierbei um einen
durch kariogene Bakterien verursachten Demineralisierungsprozess der äußersten
Zahnhartsubstanz, der durch organische Säuren ausgelöst wird.
Um also die schlussendlich aufgestellte Hypothese bezüglich einer solchen Karies und ihrer
Auswirkung auf das optische Erscheinungsbild von Zahnsubstanz nachvollziehen zu können,
bedarf es einer genauen Vorstellung des Aufbaus eines menschlichen Zahnes. Der Zahnaufbau wird
deswegen sowohl auf makroskopischer, als auch auf mikroskopischer Ebene betrachtet und
erläutert .
3.1) Der makroskopische Aufbau des menschlichen Zahnes:
Der makroskopische Aufbau des menschlichen Zahnes:
Am Zahn unterscheidet man Krone (Corona dentis) und Wurzel (Radix dentis). Die Krone ragt in
die Mundhöhle, während die Wurzel im Kieferknochen (Alveole) steckt. Die Abgrenzung zwischen
Krone und Wurzel wird als Zahnhals (Cervix oder Collum dentis), die Wurzelspitze als Apex dentis
bezeichnet.
Der makroskopische Aufbau der Zahnkrone ist sehr vielgestaltig. Die Schneidezähne besitzen eine
Schneidekante (Inzisalkante), die Eckzähne eine Kauspitze und die Seitenzähne eine Kaufläche
(Okklusalfläche) mit bis zu fünf Höckern.
Die Hauptmasse des Hartgewebes stellt das Dentin dar, das im Bereich der Krone von Zahnschmelz
und im Bereich der Wurzel von Zement überzogen ist (Abb. 1). Dieser Hartsubstanzmantel
umschließt das sogenannte Pulpacavum, einen Hohlraum, in dem sich Weichgewebe, die Zahnpulpa
befindet. Der Wurzelkanal bildet an der Wurzelspitze eine kleine Öffnung, das Foramen apicale.
Durch dieses ziehen Nerven und Blutgefäße von und zu der Pulpa.
-3-
Abb. 2.1: Aufbau des menschlichen Zahnes
Man unterscheidet bei den bleibenden Zähnen (Dentes permanentes) die Schneidezähne (Dentes
Incisivi), die Eckzähne (Dentes canini), die kleinen Backenzähne (Dentes praemolares) und die
großen Backenzähne (Dentes molares). Schneidezähne und Eckzähne werden als Frontzähne,
Prämolaren und Molaren als Seitenzähne bezeichnet. Generell ist festzustellen, das die
Schneidezähne, die den größten Abstand von dem Kiefergelenk und der Kaumuskulatur aufweisen,
auch die schmalsten Kronen haben. Die Zahn- bzw. Zahnkronengröße nimmt nach distal – also im
Zahnbogen der Mittellinie abgewannt – zu. Demnach haben die Molaren die größte Kaufläche aller
Zähne.
Aus diesem Grund stellen die in den Schliffpräperaten (s.u.) eingebetteten Zähne, welche meist
extrahierte Weißheitszähne (Dentes sapientiae, Dentes serotini) oder Backenzähne sind, gutes
Material für Experimente dar: Sie haben eine besonders große, mit Zahnschmelz überzogene
Krone.
[Ein Schliffpräparat ist ein in Kunststoff eingebetteter extrahierter Zahn, welcher dann mit
Schleifgeräten angeschliffen wird, um so die Pulpakammer und den Zahnhartsubstanzmantel
betrachten zu können. Solche Präparate haben wir im ersten Semester hergestellt.]
3.2) Der mikroskopische Aufbau von Schmelz und Dentin:
Der Zahnschmelz bildet den äußeren Überzug des Zahnes. Zahnschmelz ist sehr stabil (300-350
HB); es ist sogar die härteste Substanz, die natürlicherweise im menschlichen Körper vorkommt.
Zahnschmelz besteht fast komplett aus Kalzium und Phosphat, die das Mineral Hydroxylapatit
[Ca5(PO4)3OH]x2 bilden. Als Schutzschicht ist der Zahnschmelz widerstandsfähig gegen
mechanische Belastungen, hohe und niedrige Temperaturen sowie andere äußere Einwirkungen.
-4-
Der Schmelz ist mehr oder weniger durchsichtig, daher schimmert die Dentinfarbe durch. Trotz
seiner hohen mechanischen Härte wird der Zahnschmelz häufig geschädigt, besonders bei
Säureeinwirkung, die durch mangelhafte Mundhygiene in Kombination mit einer für die Zähne
schlechten Ernährung entsteht. Kariogene Bakterien spielen hierbei eine Rolle. Der Vorgang kann
dann zu einer sog. Initialen Karies führen.Zahnschmelz ist lebloses Gewebe; er wird demnach nicht
von Nerven oder Blutgefäßen durchzogen. Deswegen stellen sich bei einer kariösen Erkrankung
des Schmelzes keine Schmerzen beim Patienten ein. Die beginnende Karies bleibt, mit Ausnahme
ihrer hellen weißen Färbung, die für den Laien ungefährlich aussieht, unbemerkt.
Zahnschmelz ist aus stäbchenformigen hexagonalen Kristalliten, die in Bündeln, den sog.
Schmelzprismen (Durchmesser ca. 4 µm, Länge bis zu 2 mm) gruppiert angeordnet sind, aufgebaut.
Die Schmelzprismen beginnen unter der Schmelzoberfläche, verlaufen meist im 90 Grad Winkel
zur Schmelzoberfläche und reichen bis zur Schmelz-Dentin-Grenze. Die Schmelzprismen sind
büschelartig ineinander verflochtenen und erzeugen so im Auf- und Durchlicht die schon mit der
Lupe erkennbaren Hunter-Schregerschen-Streifen.
Das Dentin ist ein knochenähnliches Gewebe und weist eine Brinellhärte von 60-70 auf. Dentin ist
demnach deutlich weicher als Schmelz. Es besteht zu 70 Gewichts-% aus anorganischem Material;
dabei handelt es sich um feine Apatitkristalle.Erst wenn die Karies bis in das Dentin vorgedrungen
ist leidet der Patient unter Schmerzen, da das Zahnbein im Gegensatz zum Zahnschmelz von den
sensiblen Zellfortsätzen der Odontoblasten durchzogen wird. Odontoblasten sind das Pulpacavum
auskleidende Zellen, die die Ernährung des Dentins sicherstellen. Jeder von der Pulpa ausgehende
Zellfortsatz verläuft in einem sog. Dentinkanal in Richtung Schmelz. Diese feinen Dentinkanälchen
verlaufen leicht geschwungen senkrecht von der
Pulpa-Dentin-Grenze bis zur Schmelz-Dentin-Grenze. Sie bestimmen den Lichtverlauf innerhalb
des Dentinkörpers des Zahnes.
3.3) Was versteht man unter einer initialen Schmelzkaries?
Was versteht man unter einer initialen Schmelzkaries?
Die häufigste Erkrankung der äußersten Zahnhartsubstanz ist die Schmelzkaries. Ist ein Areal der
Schmelzoberfläche über einen längeren Zeitraum mit Plaque bedenkt, so entsteht häufig zunächst
eine weißlich-opake Färbung des Zahnschmelzes, die charakteristisch für eine kariöse Initialläsion
(white spot lesion) ist. Diese weißen Schmelzflecken erscheinen in der Mundhöhle leicht aufgeraut
und kreidig, wobei die Oberfläche des Zahnes trotz allem intakt zu sein scheint. Man unterteilt die
kariöse Initialläsion im Zahnschmelz in vier verschiedene histologische Zonen (Abb. 2).
Von innen nach außen:
1. Die transluzente Zone ist die Zone der fortschreitenden Demineralisation. Sie ist durch die
Entstehung bzw. Vergrößerung von Poren im Zahnschmelz bedingt, welche wiederum durch
säureartige Stoffwechselprodukte von kariogenen Bakterien verursacht werden. Diese Zone hat ein
Porenvolumen von ca. 1% (zum Vergleich: gesunder Zahnschmelz hat ein Porenvolumen von
0,1%).
2. Die dunkle Zone besitzt ein Porenvolumen von 2-4%. Die Poren sind jedoch aufgrund von
Remineralisationsprozessen kleiner als die Poren der transluzenten Zone.
3. Der „Läsionskörper“ ist die Zone des größten Mineralverlusts. Das Porenvolumen beträgt
zwischen 5 und 25%. In diese Poren können Speichelbestandteile, z.B. Wasser und Proteine
eindringen. Die sog. Retzius-Streifen (Wachstumslinien auf dem Schmelzkörper) sind innerhalb des
Läsionskörpers deutlicher sichtbar als im gesunden Zahn.
4. Die Oberflächenschicht einer initialen Kariesläsion weist einen Mineralverlust von 1-10% auf,
obwohl sie intakt erscheint. Sie besitzt ein Porenvolumen von weniger als 5%.
-5-
Abb. 2.2: Schematische Darstellung der vier histologischen Zonen einer initialen
Schmelzkaries
Diese strukturelle Veränderung des Schmelzes ist maßgeblich für die (s. Punkt 4.1) beobachtete
Lichtundurchlässigkeit verantwortlich.
3.4) Was ist Fluoreszenz?
Als Fluoreszenz bezeichnet man die kurzzeitige, spontane Emission von Licht beim Übergang eines
elektronisch angeregten Systems in einen Zustand niedrigerer Energie, wobei das emittierte Licht in
der Regel energieärmer ist als das vorher absorbierte.
Im Bezug auf den Zahn bedeutet dies, dass bei Anregung der Hartsubstanz durch eine LEDBlaulichtlampe das Dentin in einen Zustand höherer Energie versetzt wird und Licht emittiert.
Optisch ist dieses Phänomen mit geeigneten Filtern als fluoreszierendes Leuchten wahrzunehmen.
Wird also das im Dentin enthaltene Fluorophor optisch, also durch die Absorbtion eines Photons
des blauen Lichts angeregt und kehrt anschließend unter Aussenden von längerwelligerem Licht in
seinen energetischen Ausgangszustand zurück, so spricht man von Photolumineszenz. Fluoreszenz
ist eine Form von Lumineszenz und zeichnet sich dadurch aus, dass sein Leuchten nach Ende der
Bestrahlung/Anregung sehr rasch verschwindet.
Die Gesamtenergie, die von einem System (in unserem Fall z.B. vom Dentin) abgegeben wird, ist
auf
Grund
des
Energieerhaltungsgesetz
immer
gleich
der
Anregungsenergie
(Polymerisationslampe). Dies bedeutet ebenfalls, dass die Wellenlänge des emittierten Photons nie
kleiner sein kann als die des absorbierten Photons. Das bedeutet, dass infolge der
Stokesverschiebung das vom Zahn emittierte Licht eine größere Wellenlänge hat als das
eingestrahlte Licht. In der zahnmedizinischen Forschung geht man davon aus, dass die Fluoreszenz
eines Zahnes größtenteils ihre Quelle im Dentin hat. Eine Gruppe Marburger Studenten nutzte die
Fluoreszenz von Zähnen für die Identifikation von zahnfarbenen Restaurationen, als sie feststellten,
dass Restaurationsmaterialien im Licht der Polymerisationslampe kaum Fluoreszenz aufweisen
und so leicht zu identifizieren sind. Diese Arbeit wurde 2010 bei „Jugend forscht“ vorgestellt und
mit dem 3. Preis prämiert, bei einer zweiten Präsentation stieß sie auf dem Deutschen Zahnärztetag
in Frankfurt 2010 auf großes Interesse.
Trotz der oben genannten Annahme bezüglich der Quelle der Autofluoreszenz im Dentin stießen
wir im Verlauf des Literaturstudiums auf Thesen, die besagten, dass Zahnschmelz über eine
-6-
nennenswerte Eigenfluoreszenz verfüge (s. Quellen, C. Rousseau, sowie Jun Wu, und K. Donly, s.
Anhang 1). Um dies zu überprüfen haben wir ein Experiment mit einem Rinderschneidezahn, den
wir im Marburger Schlachthof einem geschlachteten Rind entnommen haben, durchgeführt:
Nachdem wir mit einer Metallfräse von lingual (=zungenseitig) Dentin entfernt hatten (in Abb. 2.4
rot markiert), war es uns möglich unter Blaulichtbestrahlung und Blickrichtung von labial
(=lippenseitig) zu beobachten, dass das „Schmelzfensters“ sich dunkel abzeichnete (s. Abb. 2.3).
Das heißt, dass der Schmelz, hinter dem sich kein Dentin mehr befindet, in der Betrachtung durch
ein „Oklahoma Yellow“-Filter unter Blaulichtbestrahlung im Vergleich zum umliegenden Schmelz
kein fluoreszierendes Leuchten aufweist.
Abb. 2.3: Rinderfrontzahn: Ansicht von labial
"Schmelzfenster"; ohne Anregung
Abb. 2.4: Rinderfrontzahn, Ansicht von entferntes Dentin;
ohne Bestrahlung
Abb. 2.5.: Rinderfrontzahn, Ansicht von labial unter Anregung und
Filterbetrachtung, verdunkelte Stelle am "Schmelzfenster"
-7-
3.5) Welche gängigen lichtoptischen Methoden gibt es bereits in der Kariesdiagnostik ?
Damit die richtige Therapiemaßnahme eingeleitet werden kann, ist eine frühzeitige Diagnose der
kariösen Läsion und die überzeugende Aufklärung des Patienten wichtig. Die Kunst besteht darin,
dies bereits im Anfangsstadium zu leisten. Denn die initiale Karies kann bei guter Mundhygiene
und Fluoridierung der Zähne durch Remineralisation aus dem Speichel ausheilen. Dem
gegenübergestellt ist die ausgereifte Karies mit eingebrochener Oberfläche, die sich leicht
diagnostizieren lässt, aber zu dem Stadium eine invasive Restauration erfordert.
Neben der rein visuellen Diagnostik, die von der Erfahrung des behandelnden Zahnarztes abhängt,
gibt es objektive Methoden, die für den Patienten kein Schadenspotential haben.
Das DIAGNOdent bestrahlt den Zahn mittels einer Laserdiode, deren Licht über einen Lichtleiter
und einer Sonde auf die kariöse Stelle geleitet wird. Die Bestrahlungswellenlänge liegt zwischen
655 nm. Nach Aussage des Herstellers und der Literatur sollen mit dieser Wellenlänge
Stoffwechselprodukte von kariogenen Bakterien angeregt werden, die dann rotes Fluoreszenzlicht
zwischen 680 und 800 nm emittieren. Diese Fluoreszenz wird über eine Rückleitung in dem
Lichtleiter zurück geleitet und anschließend digital angezeigt und akustisch wiedergegeben.
Das Gerät kostet in etwa 2000 Euro und kann nur eine Diagnose darüber erstellen, ob sich
fluoreszierende Chromophore in dem Areal befinden, nicht jedoch, ob Bakterien präsent sind oder
es sich um eine fortschreitende Karies handelt.
Bei der Quantitativen lichtinduzierten Fluoreszenz (QLF, Firma Inspektor) wird nicht wie beim
DIAGNOdent eine pathologisch hervorgerufene Fluoreszenz von Stoffwechselprodukten, sondern
der Intensitätsunterschied der natürlichen Autofluoreszenz ausgewertet. Dafür wird ein
Anregungslicht zwischen 290-450 nm verwendet und die Lichtintensität der Autofluoreszenz des
Zahnes vom Computer gemessen. Kariöse Areale erscheinen auf dem Monitor als dunkel.
Das Equipment eines QLF-Systems setzt sich zusammen aus einer lichtempfindlichen, intraoralen
Kamera mit einer eingebauten Xenon-Lichtbogenlampe, einer speziellen Software und einem PC.
Das Licht der Xenonlampe wird so über einen Farbfilter gefiltert, dass nur das Spektrum
kurzwelliger Wellenlänge passieren und den Zahn anregen kann. Ein Gelbfilter der Kamera filtert
reflektierte kurzwellige Wellenlängen aus, sodass nur das längerwellige, vom Zahn emittierende
Fluoreszenzicht von der Kamera aufgezeichnet werden kann.
3.6) Zielsetzung und Überlegung
Die Diagnostik der QLF wird scheinbar von der Industrie kommerzialisiert. Deshalb ist das
Equipment für einen niedergelassenen Zahnarzt nahezu unerschwinglich. Es wäre für Patient und
Behandler von Vorteil, wenn man eine initiale Schmelzkaries auch mit herkömmlichen, günstigen
Mitteln identifizieren könnte. Dies geht nur, wenn man das QLF-System von seiner komplizierten
Technik entpackt und den des Lichtintensitätsabfall der Initialläsion visuell ohne teure Technik
sichtbar macht.
-8-
4.) Material und Methode der Vorgehensweise
Wie lässt sich genau dieser Abfall in der Fluoreszenz experimentell nachweisen? Dafür standen uns
zahlreiche extrahierte Zähne in der Marburger Zahnklinik, die LED-Polymerisationslampe Celalux
1 der Marke Voco, das LEE-Farbfiltermusterheft, sowie eine herkömmliche, digitale Spiegelreflex
Kamera der Marke Pentax zur Verfügung. Die Farbfilter finden gewöhnlich in der Fotografie als
Vorsatzfilter für Objektive oder aber auch bei der Beleuchtung von Discotheken Gebrauch. Je nach
Auswahl lassen sie die Transmission ganz bestimmter Wellenlängen zu. Das 5W LED-Gerät hat
mit
seinen
emittierenden
Leuchtdioden im Gegensatz zur
Xenon-Lichtbogenlampe
des
QLF-Systems ein besonders
enges Emissionsspektrum (450 –
480 nm) und ist eigentlich
abgestimmt auf Photoinitiatoren
in
lichthärtenden
Abb.3.1 : LED-Polymerisationslampe Abb.3.2 : LEE-Farbfiltermusterheft
Füllungsmaterialien.
Da unsere Anregungsquelle von vornherein kurzwelliges Licht ausstrahlt, können wir auf den
optischen Shortpass-Filter, der in der QLF – Hardware integriert ist und das langwellige Spektrum
aus dem Anregungsspektrum filtert, verzichten. Damit aber die stets längerwellige Fluoreszenz
wahrgenommen werden kann, muss das kurzwellige Licht gefiltert werden. Der Filter Oklahoma
Yellow 767 erwies sich dafür als geeignet.
Der Transmissionsgraph zeigt, dass Wellen ab
550 nm zu über 80% die Folie passieren
können. Nun konnten wir unser System auf die
Probe stellen, indem wir einen Zahn mit einer
deutlichen Schmelzläsion aussuchten und ihn
Abb.3.3: Oklahoma
unter Beleuchtung durch den Filter betrachteten Yellow 767
bzw. fotografierten.
Abb.3.5.: Kreidig -opake Schmelzläsion
Abb.3.4:X-Achse=Wellenlänge
in nm, Y-Achse=Transm. in %
Unter Auflicht des sichtbaren „weißen“ Lichtspektrums ist eine
kreidig - opake Schmelzläsion zu sehen. Beim angeregten Zahn
zeigte sich im Bereich der Läsion eine dunkle Stelle, während
die gesunde Umgebung nahezu gleichmäßig im gelb-grünen
Bereich fluoresziert. Denkbar wäre, dass demineralisierter
Schmelz eine geringere Eigenfluoreszenz als gesunder hat und
sich diese Differenz mit unserer Methode optisch darstellt.
Dass
vom gesunden Zahnschmelz die natürliche
Autofluoreszenz ausgeht, wäre Voraussetzung für diese These
und kann allerdings mit dieser Methodik und den Bilder weder
belegt noch widerlegt werden. Optimal wäre es, wenn man bei
einem solchen Präparat die beiden Substanzen Schmelz und
Dentin unabhängig voneinander anregen und betrachten könnte.
Dafür müsste es gelingen, die Schmelzkappe mit der Läsion so
vom Dentin abzuheben, so dass man beide Teile im
unversehrten Zustand getrennt untersuchen kann. Dies erschien
uns als nahezu unmöglich vor allem auf Grund der
Mirkoretentionen an der Schmelz-Dentin-Grenze.
Abb.3.6: Intensitätsabfall im Bereich der
Läsion
-9-
Nach unzähligen erfolglosen Versuchen bei denen die Krone zertrümmert war, gelang es uns
schließlich doch einen Teil der Schmelzschicht mit einer Schmelzkaries von einem Zahn sauber
abzusprengen. Es schien, als ob unser Vorhaben durch Erwärmung der Zähne über eine Heizung
und durch die damit verursachten Trockenspannungen in der Zahnsubstanz erleichtert wurde.
Ein Schlitzschraubendreher wurde an den Übergang von der
Krone zur Zahnwurzel angelegt und mit einem gefühlvollen
Hammerschlag der Teil der Schmelzkappe mit der Läsion
unversehrt abgetragen. Als Ergebnis erhielten wir wie
gewünscht die isolierte Schmelzschicht (siehe Abb.3.8),
sowie den restlichen Zahn mit einer unversehrten natürlich
gelb-schimmernden „Dentinglatze“ (siehe Abb.3.9). Beide
Komponenten lassen sich reversibel zusammenfügen (siehe
Abb.3.10).
Abb.3.7: Schmelz mit weißer Läsion
abgeschlagen; Schraubendreher (grünblau); Hammer (schwarz-braun);
Zeichnung nicht maßstabsgetreu
Abb. 3.8: Abgetrennte Schmelzschicht; Pfeil zeigt auf
zirkuläre Demineralisation
Nun sind folgende Beleuchtungskombination
geplant, die der Widerlegung bzw. Bekräftigung
der nachfolgend genannten Überlegungen dienen
sollen:
Abb. 3.9: Freigelegte gelbe Dentinoberfläche; Pfeil zeigt
auf Schmelz-Zement-Grenze
1) Anregung des zusammengesetzten Zahnes
→ Überprüfung des proklamierten Effektes.
2) Anregung der freigelegten Dentinoberfläche
→ Zeigt Dentin überhaupt eine natürliche
Fluoreszenz.
3) Durchleuchtung der Schmelzkappe mit
„weißem“ Licht durch Hinterlegung mit weißem
Papier auf Röntgenfilmbetrachter
Abb. 3.10 : Zusammengefügte Bruchstücke; roter Pfeil zeigt
→ Optische Durchlässigkeit der Läsion im auf Einschlagkerbe des Schraubendrehers; blauer Pfeil
Vergleich zum übrigen Schmelz.
zeigt zirkuläre Demineralisation
4) Anregung der Kappe auf schwarzem Papier
(Verhinderung der Durchleuchtung)
→ Ist ein Intensitätsabfall zu beobachten, weil
demineralisierter Schmelz weniger fluoresziert
als gesunder oder führen nur Überlegung 2) und
3) zu einer Erklärung?
-10-
5.) Ergebnisse
Trotz Verlust der natürlichen Haftung zwischen Dentin und Schmelz ist in Abb. 4.1 die von uns
erwartete dunkle Schmelzläsion zu sehen. Abb. 4.2. zeigt, dass vom Dentin eine natürliche hier gelbgrüne Fluoreszenz ausgeht.
Abb. 4.1: Pfeil zeigt auf dunkle, zirkuläre
Demineralisation
Abb. 4.2: Fluoreszierende "Dentinglatze"
Wird die isolierte Schmelzkappe durch Fotografieren auf weißem Papier mit dem sichtbaren
Lichtspektrum durchleuchtet (Abb. 4.3), so hat man fast den gleichen Eindruck wie bei Abb. 4.1. Die
Läsion erscheint dunkel. Der demineralisierte Bereich muss also einen anderen Transmissionsgrad
besitzen als die gesunde Substanz. Laut Fachliteratur besitzt gesunder Zahnschmelz einen
Brechungsindex von ca.1,62, während Luft einen von ca. 1,0 hat. Es ist naheliegend, dass das
vergrößerte Porenvolumen der Läsion (siehe 2.3 „Aufbau einer Schmelzkaries“) eines getrockneten,
extrahierten Zahnes mit Luft gefüllt ist und damit die unterschiedlichen Brechungsindices den
Transmissiongrad T verändern. T wird aus dem Quotienten der Wellenintensität vor (I°) und hinter
(I) dem Hindernis (Läsion) gebildet: T = I
I°
In diesem Fall ist die Intensität des zum Betrachter transmittierten Lichtes (I) im Bereich des Läsion
geringer als das einfallende des weißen Papieres. Damit gilt für T : 0<T<1. Wollen wir eine
Aussage über die Opazität O treffen, müssen wir bedenken, dass sich dieser Parameter O umgekehrt
proportional zu T
1
verhält, also O=
. Dies ist nachvollziehbar, denn je weniger Licht eine Substanz transmittieren
T
lässt,
desto größer erscheint die Trübung. Unsere Schmelzläsion müsste demnach bei kleinen Werten für T
im Nenner Werte von O>1 annehmen.
Wird dagegen die Schmelzkappe auf schwarzem Hintergrund angeregt (Abb.4.4) und unter unserem
auserwählten Filter betrachtet, nimmt man die Läsion überraschenderweise als hellen Bereich wahr
im Gegensatz zu Abb. 4.1 und Abb. 4.3. Der gesunde Schmelz zeigt zwar hier eine leichte gelb-grüne
Fluoreszenz, dies kann jedoch nur an organischen Matrixanteilen des Dentines liegen, die trotz der
anatomischen und von uns experimentell freigelegten Schmelz-Dentin-Grenze in geringem Maße in
den Schmelz ziehen (siehe 2.2 „mikroskopischer Aufbau von Schmelz und Dentin“). Die These, dass
von demineralisiertem Schmelz eine geringere Autofluoreszenz ausgeht als von gesundem Schmelz
(siehe Anhang 1) und die Läsion deshalb unter Filterbetrachtung dunkel erscheint, ist für unser
Experiment nicht haltbar. Vielmehr bleibt sie hier nahezu unverändert hell. Die organischen
Matrixanteile des Dentines unterhalb der Läsion werden vom Anregungslicht gar nicht erst erreicht,
sondern das Anregungslicht der LED-Lampe wird an der Läsion zum Betrachter zurück reflektiert.
-11-
Abb.4.3: Schmelz im weißen Durchlicht
Abb.4.4 Schmelz im Auflicht angeregt; Pfeil zeigt helle Läsion
bei Filterbetrachtung
5.1) Resümee
Als dunkel wird die initiale Schmelzkaries im Anregungslicht der Polymerisationlampe und unter
Filterbetrachtung wahrgenommen, weil sie vom natürlichen Fluoreszenzlicht des darunter
liegenden Dentines durchleuchtet wird.
6.) Transfer von Theorie auf Praxis – Herstellung eines Modells
Um diese Beobachtung zu veranschaulichen, haben wir es uns zum Ziel gesetzt mit gängigen
Mitteln ein Modell zu erstellen.
Hierbei geht es jedoch nicht um die Nachahmung einer initialen Schmelzkaries in ihrer akkuraten
histologischen Echtheit, sondern um ihr optisches Erscheinungsbild (s. 4.) im Licht einer LEDBlaulichtlampe. Zunächst galt es zu überlegen, welche an der Kariesläsion beteiligten Strukturen
dargestellt werden müssen: Da wir aufgrund einer Vielzahl von Studien (s. 2.4, Rousseau, C.)
davon ausgehen können, dass die Quelle der Fluoreszenz von Zahnhartsubstanz im Dentin vorliegt,
stellen wir diese Eigenschaft mit fluoreszierenden Post-it®-Klebezetteln (Etage 1) dar.
Der Schmelz samt Läsionskörper wird durch die Etagen 2 und 4 des Modells dargestellt.
Die Leuchtkraft der Post-its® bzw. des Dentins stellte sich zunächst als zu intensiv heraus und so
nahmen wir herkömmliches weißliches Zeichenpapier (Etage 2), um die Intensität der Fluoreszenz
bis hin zum Betrachter abzuschwächen. Selbige Eigenschaft hat der Schmelz am Zahn.
Zusätzlich fügten wir eine Schicht gelbliches Zeichenpapier (Etage 3) hinzu, welches den
Farbunterschied zwischen Dentin (gelblich) und Schmelz (weißlich/klar) im Modell berücksichtigt.
Problematisch ist hierbei, eine Substanz zu finden, die ähnlich wie die initiale Karies im Auflicht
der Polymerisationslampe leuchtend weiß erscheint und gleichzeitig das emittierte Licht des
fluoreszierenden Papiers nicht bis zum Auge des Betrachters durchlässt. Hierbei wird das Modell
natürlich durch den Gelb-Filter „Oklahoma Yellow“ (Lee-Filters # 767) betrachtet.
Folgende Materialien wurden zunächst auf ihre Tauglichkeit getestet:
• dentale Füllungskunststoffe verschiedener Farblichkeit (Stufen A3, A1)
• Kreide
• weißes Papier
• extrem weißer Kunststoff für Effektverblendungen
-12-
[Bei Effektverblendungen handelt es sich um ein zahntechnisches Mittel, welches zur Nachahmung
der Zahnoberfläche nach einer Kronenrestauration genutzt wird. Um dem natürlichen
Erscheinungsbild eines Zahnes möglichst nahe zu kommen, mischt man farbige Effektkunststoffe
den Verblendungswerkstoffen bei.]
Alle Materialien, mit Ausnahme des weißen Effektkunststoffes, zeigten das selbe Erscheinungsbild:
Im Auflicht der LED-Blaulichtlampe waren sie im Vergleich zur initialen Karies am extrahierten
Zahn ohne Nutzung eines Filters zu dunkel.
Der Effektkunststoff erzielte in Kombination mit Zeichenpapier das beste Ergebnis: Das milchige
Papier zeigte die Eigenschaft, dass es das von dem fluoreszierenden Papier ausgehende Licht
abschwächte und somit verhinderte, dass der „Läsionskörper“ im Auflicht dunkler erschien, als
gewünscht.
Abb. 5.1: Schematische Etagen-Darstellung des hergestellten Modells; nicht maßstabsgetreu.
-13-
7. Diskussion
Es ist uns gelungen, mit einfachen Mitteln beginnende Schmelzläsionen zu identifizieren und dem
Zahnarzt eine Alternative in der Kariesdiagnostik zu bieten.
Folgende Eigenschaften zeichnen unsere Methode aus:
•
•
•
•
die von der LED-Blaulichtlampe ausgehende Strahlung ist selbst in oraler Behandlung
gesundheitlich völlig unbedenklich, denn es handelt sich nicht um UV-Strahlung, sondern
um kurzwelliges Blaulicht
diese licht-optisch ermöglichte Kariesdetektion ist im Vergleich zu den sonst vermarkteten
Systemen in der Anwendung kostengünstiger und unkomplizierter und ist eine Erleichterung
in der Arbeitswelt des Zahnarztes
gerade wegen dieser Unkompliziertheit ist diese Art von Behandlung schnell durchzuführen
und somit für den Patienten angenehmer, weil z.B. das Kratzen mit der zahnärztlichen
Sonde beim Suchen nach Läsion entfällt
prinzipiell kann dem Patienten die jetzt dunkel erscheinende Karies im Spiegel gezeigt
werden. Dabei ist es von Vorteil, dass dunkle Stellen am Zahn von Patienten mit einer
Erkrankung assoziiert werden und die Motivation, die im weißen Licht helle und für den
Laien unverdächtig aussehende Läsion sorgfältigst beim Zähneputzen zu reinigen und so
einer Ausheilung zuzuführen, ist leichter zu erreichen.
Der von uns proklamierte Effekt (s. 4.1) ist natürlich nur dort zu beobachten, wo das
Anregungslicht die initiale Schmelzkaries erreicht. Daher muss man damit rechnen, dass Läsionen
im Approximalraum (in seitlichen Zwischenräumen benachbarter Zähne), sowie in tiefliegenden
Fissuren (Rillen in der Okklusalflächen) nicht detektiert werden können.
Hingegen lassen sich Läsionen in Kariesprädilektionsstellen z.B. Glatt- und Okklusalflächen gut
demonstrieren.
Die Zusammenarbeit zwischen behandelndem Arzt und Patient ist besonders in der Zahnmedizin
von enormer Wichtigkeit.
Selbst wenn man eine Diagnose über eine Karies erschließen konnte, ist es damit noch nicht getan.
Eine Therapie allein führt langfristig zu keinem Erfolg, denn folgende drei Aspekte sind von
wesentlicher Wichtigkeit für die Gesundheit des Patienten:
1.) Aufklärung
2.) Motivation zur Mundhygiene (Prophylaxe)
3.) halbjährlicher Recall
Mit dem von uns angefertigten Modell erreichen wir zunächst die Aufklärung und schaffen so die
Grundlage für eine erfolgreiche Eigeninitiative des Patienten (2./3.).
Im Fall einer schon bestehenden kariösen Initialläsion des Schmelzes machen wir dem Patienten
auf optischer Ebene anhand seiner Zähen in vivo und unserem Modell in vitro deutlich, dass das
harmlose und ästhetisch wirkende Erscheinungsbild der Läsion eine pathologische Aussagekraft hat
(dunkle Farbe bei Betrachtung durch Farbfilter).
Wir erhoffen uns einen Erfolg unserer Methode besonders in der Kieferorthopädie, wo meist junge
Patienten die so dringend erforderliche Mundhygiene während einer kieferorthopädischen
Behandlung vernachlässigen.
Besonders während der Behandlung und natürlich auch nach Entfernung von festsitzenden
Zahnspangen treten vermehrt kariöse Defekte auf.
Hierdurch erreicht man Aufklärung und im Optimalfall eine bessere Mundhygiene, sowie das
folglich gestärkte Vertrauen in den Zahnarzt.
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10.) Quellen- und Literaturverzeichnis
Literatur:
Rousseau, C. et al.: The Effect of Dentine on Fluorescence Measurements of Enamel Lesions in
vitro, Caries Research, Glasgow University: Dental School, 2002
Lehmann, Klaus M.et al.: Zahnärztliche Propädeutik: Einführung in die Zahnheilkunde, Köln 11.
Auflage 2008
Harms, Volker: Physik für Mediziner, Lindhöft 17. Auflage 2006
Seibt, Walter: Physik für Mediziner, 6. Aufl., 2009
Müller-Stahl, Florian: Karies - Korrelation quantitative lichtinduzierte Fluoreszenz, Mikrohärte und
Mikroradiographie. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät, 2006
Dresel, T., Gente, M., Penner, A., Schreiber, C.: Identifizierung von Restaurationen durch
Autofluoreszenz, Zahnklinik Marburg: Lehrbereich Propädeutik, 2010
Internetseiten:
http://www.inspektor.nl/
10.09.2010
Inspektor Research Systems BV Netherlands, QLF™ - Quantitative Light-induced Fluorescence
http://www.kavo.com/Default.aspx?navid=40&oid=002&lid=De&rid=1412
KaVo Dental GmbH Deutschland, Funktionsweise des DIAGNOdent
10.09.2010
http://www.leefilters.com/lighting/products/range/ref:I46C9C0C1B557F/
Lee Filters England, Detaillierte Filterbeschreibung
10.09.2010
http://de.wikipedia.org/wiki/Fluoreszenz
12.08.2010
http://www.hindawi.com/journals/ijd/2010/958264.html
14.02.2010
Vollständige Publikation „Demineralization Depth Using QLF and a Novel Image Processing
Software“
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8.) Anhang 1
Auszug aus der Publikation „Demineralization Depth Using QLF and a Novel Image Processing
Software“ von Jun Wu,1 Zachary R. Donly,2 Kevin J. Donly,2 and Steven Hackmyer2,
veröffentlicht am 26.01.2010 im „International Journal of Dentistry“ Volume 2010
1 Dental Branch, University of Texas Health Science Center at Houston, 6516 John Freeman Boulevard, Houston, TX
77030-3402, USA
2 Department of Pediatric Dentistry, Dental School, University of Texas Health Science Center at San Antonio, 7703
Floyd Curl Drive, San Antonio, TX 78229-3900, USA
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9.) Anhang 2 – Schriftverkehr mit dem Autor Kevin James Donly von der Dental School
der Universtiy of Texas
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