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Revista Facultad de Odontología Universidad de Antioquia

Print version ISSN 0121-246X

Rev Fac Odontol Univ Antioq vol.29 no.2 Medellín Jan./June 2018

http://dx.doi.org/10.17533/udea.rfo.v29n2a9 

Original article

DETECCIÓN DE CARIES DENTAL USANDO UN SENSOR DE FIBRA ÓPTICA

EBERTO BENJUMEA1  *  , LEONARDO DÍAZ2  , CÉSAR TORRES3 

1 Electronic Engineer, Colciencias young researcher and innovator, Grupo de Óptica e Informática, Universidad Popular del Cesar, Valledupar, Colombia

2 Electronic Engineer, MEd in Teaching of the Exact and Natural Sciences, Adjunct Professor, Electronic Engineering Program, School of Engineering and Technology, Grupo de Óptica e Informática, Universidad Popular del Cesar, Valledupar, Colombia

3 BA in Physics, MA in Physics, Doctor in Natural Sciences, Professor, Mathematics and Physics Program, School of Basic Sciences and Education, Grupo de Óptica e Informática, Universidad Popular del Cesar, Valledupar, Colombia

RESUMEN.

Introducción:

la caries se ha manifestado como una de las enfermedades con mayor prevalencia mundial, pero paradójicamente es una de las más desatendidas. En la actualidad, el tratamiento adecuado y eficaz contra la caries se basa en el diagnóstico temprano y en procedimientos como obturaciones, coronas y tratamiento de conductos.

Métodos:

esta investigación se centró en examinar el comportamiento de zonas cariadas y no cariadas de piezas dentales vitales (premolares y molares) al someterlas a una longitud de onda de 830 nm en seres humanos mayores de edad que aceptasen una revisión odontológica y que presentaran al menos un caso de caries dental. Fueron excluidos menores de edad y personas bajo tratamientos médicos. Tras encontrar un comportamiento que permitió diferenciar entre zonas cariadas y sanas, se caracterizó el sistema experimental usado y se probó en voluntarios. El sistema implementado se basa en un sensor de fibra óptica compuesto por una fibra trifurcada y un fotodetector para realizar mediciones de potencia óptica.

Resultados:

este sensor detectó el 100% de las muestras de caries dental en superficies oclusales de premolares y molares. Asimismo, exhibió indicios de la capacidad de diagnosticar caries vestibulares.

Conclusiones:

los resultados mostraron que se puede establecer la presencia de caries en piezas dentales mediante la implementación de un sensor de fibra óptica y luz infrarroja de 830 nm.

Palabras-clave: caries dental; fibras ópticas; sensores ópticos

INTRODUCCIÓN

La caries es un complejo proceso de origen multifactorial que afecta los tejidos dentales. Esta afección causa la destrucción del esmalte dental cuando el proceso dinámico de desmineralización y remineralización constante se altera por el exceso de producción de los ácidos, en combinación con los otros factores de virulencia de los microorganismos cariogénicos.1-3 La primera manifestación visual de esta enfermedad es una opacidad o decoloración del esmalte dental que, de no recibir medidas de control, progresa hasta llegar a generar cavidades y efectos en otros tejidos dentales.4 La caries no tratada puede dificultar el comer y el dormir, puede tener impacto en el crecimiento del menor y es la causa principal de absentismo escolar y laboral.4

La caries dental es la enfermedad crónica más extendida en el mundo y constituye un reto importante en salud pública. Los datos actuales muestran que la caries no tratada en dientes permanentes tiene una prevalencia global (promediando todas las edades) del 40%.5 En Colombia, la caries tiene prevalencia sobre el 55.82% de la población con dentición permanente; sin embargo, al considerar casos incipientes la cifra aumenta al 78.97%.6 En vista de lo anterior, el Ministerio de Salud y Protección Social del Gobierno de Colombia recomienda desarrollar y promover diferentes líneas investigativas en salud bucal a partir de las realidades del contexto del país.6

A pesar de los avances tecnológicos, el examen clínico ortodoxo sigue siendo el método de diagnóstico más utilizado y confiable para la caries dental.7,8 Este procedimiento de evaluación oral se basa en la exploración táctil con herramientas y en la percepción visual del dentista.3 Probablemente, estas características altamente subjetivas pueden conducir a fallos en la detección de caries, incluso detecciones falsas, y causar malestar en el paciente. Desde luego, la ciencia y la ingeniería han puesto en manos de la odontología nuevas herramientas de diagnóstico como las radiografías, el método de tinte, el método de conductancia eléctrica y una gran variedad de métodos ópticos: transiluminación por fibra óptica (FOTI), transiluminación digital por fibra óptica (DIFOTI) y fluorescencia por luz o láser. Las radiografías solo permiten el diagnóstico de caries proximales, pero no son un método de detección confiable de caries oclusales.8 Los detectores de caries por tintura ayudan a diferenciar entre la dentina sana y descalcificada, aunque en los últimos años diversos estudios han puesto en duda su efectividad.9 Los métodos por conductancia eléctrica se basan en que las mediciones en zonas con presencia de caries son significativamente mayores a las zonas libres de caries, principalmente en la diferenciación de esmalte sano y dentina cariada. Han demostrado ser superiores a los métodos radiográficos o de transiluminación para la detección de lesiones de caries oclusal.10,11 Pero debido a la diversidad de la profundidad, al contenido mineral del esmalte y a la morfología de las superficies oclusales, se dificultan grandemente las lecturas correctas, logrando confundir zonas de esmalte sano con zonas de desmineralización.12,13 Los métodos ópticos se fundamentan en que al iluminar a un diente y ser penetrado este por la luz, puede suceder que esta sea absorbida por el órgano dentario, o bien que se disperse. Estos dos procesos pueden ser alterados por los cambios en la estructura externa/interna del diente.8 La transiluminación con fibra óptica en todas sus formas se basa en que la luz se propaga desde una fuente de luz al diente a través de fibras ópticas y debe ser lo suficientemente intensa para atravesar la estructura del diente. El método de la transiluminación ha sido recomendado para detectar caries proximales y oclusales.14-16 Cuando en la transiluminación con fibra óptica se adquieren imágenes a través de cámaras y son procesadas, para aumentar la sensibilidad, por un software de computadora, se le conoce como transiluminación digital con fibra óptica.8

La fluorescencia por luz o láser se basa en el principio de que los cambios inducidos en la estructura dentaria, por el proceso de caries, lleva a un incremento en la fluorescencia cuando se aplican longitudes de onda específicas.17) Este método ha sido utilizado con éxito para la detección de lesiones en superficies planas de los dientes, pero su uso en caras oclusales no ha sido bien demostrado. Sin embargo, parece tener muchas posibilidades de éxito.18

Teniendo en cuenta el estado del arte y la recomendación del Gobierno colombiano, esta investigación buscó examinar el comportamiento de zonas cariadas y no cariadas de dientes vitales al someterlas a luz infrarroja de 830 nm. Asimismo, estudió la utilidad de dicha longitud de onda para el diagnóstico de caries dental, con el objetivo de investigar nuevas perspectivas para la creación de dispositivos de detección más eficaces. Al encontrar un comportamiento que permitía diferenciar entre zonas cariadas y sanas, en este trabajo se caracterizó el sistema usado con el fin de detectar caries dental. En el sistema planteado, la luz infrarroja es guiada a través de una fibra óptica trifurcada para incidir sobre los dientes, y, gracias a las ramas derivadas, la señal reflejada es recogida y llevada a un sensor de luz infrarroja.

METODOLOGÍA

La muestra de este estudio fueron 167 piezas dentales vitales de seres humanos entre los 18 y 60 años que aceptasen una revisión odontológica y que presentaran al menos una caries dental. Fueron excluidos menores de edad y personas bajo tratamientos médicos. La población de la prueba fue el personal administrativo de la Universidad Popular del Cesar.

Esta investigación buscó examinar el comportamiento de zonas cariadas y no cariadas al someterlas a luz infrarroja de 830 nm. Tras encontrar un comportamiento que permitía diferenciar entre zonas cariadas y sanas, se caracterizó con el fin de detectar caries dental. El trabajo se basó en un montaje experimental que utiliza un sensor de fibra óptica y luz infrarroja con el cual se adquirieron medidas de potencia óptica reflejada por cada pieza dental. El proceso de toma de muestras se efectuó en dientes de pacientes a los que previamente se les había diagnosticado caries por parte de un odontólogo profesional. Cada muestra fue limpiada y secada, procurando mantener dicho estado durante las mediciones realizadas, que fueron efectuadas por una persona calibrada en la identificación de caries dental y en el manejo de fibras ópticas. De manera preliminar se caracterizaron las zonas oclusales y vestibulares de la dentadura completa de un sujeto, con el objetivo de determinar los niveles de potencia reflejada propios del montaje realizado para un diente sano y un diente cariado, según su clasificación y forma. Luego, tras plantear dichos niveles de potencia, se pasó a comprobar dicha hipótesis en cinco pacientes. Este estudio cumple con lo estipulado por la Declaración de Helsinki19 para la investigación en hu manos, y con lo estipulado en la Resolución 8430 del Ministerio de la Protección Social.20

El montaje experimental está compuesto principalmente por un sensor de fibra óptica que implementa una fibra trifurcada Newport/Oriel Modelo 77536. Esta última permite conducir la luz infrarroja fácilmente hasta los dientes gracias a su flexibilidad. Asimismo, consta de una mesa óptica Newport, en la cual, gracias a herramientas de soporte, se conectó un LED infrarrojo (LED IR), con longitud de onda 830 nm, a una de las tres ramas de la fibra trifurcada. El LED infrarrojo pertenece a un Newport Laser Diode-Led Driver Model Nº FK-DRV.21,22 Las dos ramas del mismo extremo están conectadas, por el mismo método, a un Newport Model 1815 Power Meter-C. Se utilizó un fotodetector de silicio 818-SL con atenuador. El extremo libre y no ramificado es utilizado para llevar la radiación infrarroja a los dientes como una sonda. La Figura 1 muestra la configuración implementada.

Figura 1 Montaje experimental. 

El ajuste, en funcionamiento, lleva la luz infrarroja por la ramificación asignada de la fibra hasta el extremo no ramificado e incide en el diente. Al mismo tiempo, la radiación reflejada por la pieza dental es recolectada y transportada a los extremos ramificados. Los extremos ramificados conducen la luz reflejada al medidor de potencia para establecer su intensidad. Con ánimo de obtener resultados con magnitudes muy significativas, se procedió a realizar todas las pruebas y detecciones con el Newport Laser Diode-Led Driver a máxima potencia. Para todas las mediciones de variables en este artículo se tomaron valores promediados.

Características ópticas y eléctricas de operación del sensor de fibra óptica implementado

Dada la implementación de un sensor de fibra óptica, fue necesario conocer los rangos de operación del mismo. Los valores de los parámetros de potencia óptica emitida por el LED IR, potencia trasmitida por la fibra óptica, e intensidad de corriente fueron obtenidos luego de seleccionar la potencia máxima del Newport Laser Diode-Led Driver Model Nº FK-DRV como corriente de operación para todas las pruebas. La adquisición de los valores de estas variables permitirá reproducir este sistema experimental para futuros estudios o para verificar los resultados obtenidos. Los parámetros que describen las características de operación del sensor de fibra óptica pueden observarse en la Tabla 1. La Figura 2a muestra el proceso de medición de la potencia emitida por el diodo LED IR, mientras que la Figura 2b exhibe el proceso de adquisición de la magnitud de la potencia infrarroja transmitida por el sensor.

Tabla 1 Características de operación del sensor de fibra óptica 

Características ópticas y eléctricas de operación del sensor de fibra óptica
Parámetro Valor Unidad
Corriente de operación 100,3 mA
Potencia óptica emitida por el LED IR 1,814 mW
Potencia infrarroja transmitida por el sensor 1,386 mW
Eficiencia de potencia óptica transmitida 76,41%
Potencia reflejada máxima 228 µW
Eficiencia de conducción de luz infrarroja reflejada 81,72%

Figura 2 (a) Proceso de medición de la potencia óptica emitida por el LED IR, (b) Proceso de medición de la potencia infrarroja transmitida por el sensor de fibra óptica 

Con el fin de determinar la eficiencia de conducción de luz infrarroja, se efectuaron mediciones de potencia reflejada por un espejo con y sin el sensor. La potencia reflejada sin el sensor entre el LED IR y el medidor de potencia fue 279 µW (La medición se presenta en la Figura 3a). Al añadir el sensor, en la misma corriente de operación se obtuvo una potencia reflejada de 228 µW (el proceso se ilustra en la Figura 3b). Con base en estas mediciones, se calculó la eficiencia de conducción de luz infrarroja reflejada, la cual también se encuentra referida en la Tabla 1.

Figura 3 a) Reflexión sin sensor de fibra óptica. (b) Reflexión con sensor de fibra óptica. 

Finalmente, tras la medición de las características de operación del sensor de fibra óptica se procedió a probar el sistema en muestras vivas de dientes, para determinar cualquier tipo de comportamiento que permita establecer la presencia de caries.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Prueba preliminar en dientes vivos y caracterización del funcionamiento del sensor

La toma de muestras se realizó solamente en las zonas vestibulares, incisales y oclusales de la dentadura de un voluntario que previamente recibió un diagnóstico odontológico de caries dental por un profesional en salud oral. Al intentar muestrear la zona lingual, la fibra quedaba en riesgo de sufrir macroflexiones que podrían dañar la integridad de la misma. Por ello, la zona lingual no fue muestreada. El proceso de muestreo se ilustra en la figura 4a. Además, el muestreo completo de una dentadura ayudó a determinar valores propios para elementos comunes en el tratamiento de enfermedades orales, como amalgamas y resinas. Teniendo en cuenta que la forma de los dientes influiría en los valores de potencias a medir, se almacenaron estos últimos mediante la notación dental FDI,23 lo cual permitiría el análisis según el tipo de diente. Para facilitar la comprensión del presente artículo, se muestra la notación FDI en la figura 4b. Al comparar las mediciones obtenidas con el diagnóstico oral, se establecieron umbrales de detección de caries en las superficies oclusal, incisal y vestibular. Las medidas de potencia reflejada se muestran en las Tablas 2 y 3.

Figura 4 (a) Proceso de muestreo, (b) Notación dental FDI 

Tabla 2 Potencia en zona vestibular 

Superficie vestibular
Maxilar superior Tipo de diente Molares Premolares Canino Incisivos Canino Premolares Molares
Diente 18 17 16 15 14 13 12 11 21 22 23 24 25 26 27 28
Potencia (μW) 20,8 21,3 18,3 17,8 19,5 22 22 18,5 20,8 19,8 18,9 19,5 20,5 19,7
Mandíbula Tipo de diente Molares Premolares Canino Incisivos Canino Premolares Molares
Diente 48 47 46 45 44 43 42 41 31 32 33 34 35 36 37 38
Potencia (μW) 19,4 20 19,1 19 21,4 22,4 21,4 21,3 21,8 21,4 19,9 18 18 19

Tabla 3 Potencia en zonas incisal y oclusal. 

Superficies incisal y oclusal
Maxilar superior Tipo de diente Molares Premolares Canino Incisivos Canino Premolares Molares
Diente 18 17 16 15 14 13 12 11 21 22 23 24 25 26 27 28
Potencia (μW) 11,4 7,6 11,5 12 10,5 8,7 8,4 9,0 8,2 10,1 12,7 12,8 11,9 8,9
Mandíbula Tipo de diente Molares Premolares Canino Incisivos Canino Premolares Molares
Diente 48 47 46 45 44 43 42 41 31 32 33 34 35 36 37 38
Potencia (μW) 10,7 12,1 11 11,8 6,1 6,5 7,1 6.8 7,0 7,7 13 11,5 10,2 10,2

El diagnóstico odontológico del paciente arrojó como resultados: caries en el molar superior izquierdo 27, una amalgama en el molar superior derecho 16, resina blanca en los molares inferiores derechos 36 y 37, y una reconstrucción del incisivo superior izquierdo 21. Los molares 18, 28, 38 y 48 no estaban presentes en el paciente. Con base en esta información se analizaron las mediciones realizadas con el sensor.

Las mediciones obtenidas demuestran que los niveles de potencia reflejada varían de acuerdo a la geometría de la pieza dental y al área existente para la exposición a luz infrarroja. Por lo anterior, el análisis de los resultados se realizó por zonas dentales y según la tipología de los dientes. Las zonas vestibulares, sin distinción del tipo de pieza dental, reflejan niveles más uniformes de potencia infrarroja. Es de resaltar que, por su dimensión, los dientes incisivos (piezas dentales 12, 11, 22, 42, 41, 31 y 32 en la Tabla 2) reflejan mayor potencia. La misma situación se observó en las mediciones de las zonas incisales y oclusales: la potencia reflejada por los premolares y molares fue superior a la reflejada por incisivos y caninos (ver la diferenciación en la Tabla 3).

Los niveles de potencia reflejada en incisivos sanos de zonas incisales son inferiores a los niveles en zonas oclusales de premolares y molares. De igual manera, en la zona incisal, los caninos superiores reflejan niveles más altos que los caninos inferiores (véanse los dientes 13, 23, 43 y 33 en la Tabla 3).

Puede observarse (ver Tabla 3) que la pieza dental 27, que presenta caries en su zona oclusal, reflejó 8,9 µW, cuando los demás premolares y molares sanos reflejaron más de 10 µW. Con esta observación se demostró que el comportamiento expuesto por piezas dentales extraídas también se exhibe en piezas dentales vivas. Dicho comportamiento puede ser utilizado para determinar la presencia de caries. En resumen, las zonas con caries reflejan menos potencia infrarroja que las zonas sanas.

Las amalgamas, por sus propiedades físicas (color), reflejan niveles mucho más bajos que los dientes sanos, al punto de coincidir con valores propios de las caries (véase el diente 16 en la Tabla 3). Las resinas reflejan niveles de potencia muy cercanos a los niveles de una zona sana (véanse los molares 36 y 37 en la Tabla 2 con respecto a molares sanos aledaños).

Cuantitativamente, es evidente que, en la superficie vestibular, los dientes sanos reflejan niveles de potencia superiores a 17 μW. Mientras tanto, en la superficie incisal, los niveles medidos en segmentos sanos ofrecen una diferenciación según el tipo de dientes: los incisivos presentan potencias mayores o iguales a 6,5 μW, mientras que los caninos reflejan potencias mayores a 6 μW. En la superficie oclusal, los premolares y las caries de los molares reflejan potencias superiores o iguales a 11 μW. Por lo tanto, para el sistema montado se determinaron los umbrales de caries, mostrados en la Tabla 4, y se usaron en los demás ensayos con pacientes.

Tabla 4 Umbrales de presencia de caries dental 

Superficie vestibular 0-17 µW
Superficie incisal Incisivos 0-6,4 µW
Caninos 0-6 µW
Superficie oclusal Premolares y molares 0-10,9 µW

Detección de caries en voluntarios

Dado el bajo número de muestras de caries en zonas linguales, vestibulares e interproximales, las pruebas en pacientes se concentraron en su mayor parte en zonas oclusales. La verificación de los umbrales de presencia de caries propuestos se realizó en 5 pacientes adicionales, a quienes su odontólogo de cabecera les había diagnosticado caries dental. Los 6 pacientes, teniendo en cuenta al voluntario de la prueba preliminar, ofrecieron 167 piezas dentales para el experimento, de las cuales 11 correspondían a dientes cariados diagnosticados por el método visual-táctil. El sensor de fibra óptica detectó el 100% de las caries diagnosticadas con anterioridad por odontólogos. Las detecciones en todas las muestras realizadas en piezas cariadas con sus respectivas mediciones se exhiben en la tabla 5. Los dientes sanos reflejaron niveles de potencia superiores a los umbrales planteados.

Tabla 5 Detección de caries en los voluntarios. 

Muestra Ubicación según zona dental Tipo de caries Potencia óptica sensada (µW) Umbral superior de caries dental (µW) Presencia de caries dental
1 Vestibular Moderada 14 17 Positiva
2 Vestibular Moderada 11 17 Positiva
3 Oclusal Incipiente 10 10,9 Positiva
4 Oclusal Incipiente 10,5 10,9 Positiva
5 Oclusal Incipiente 10,2 10,9 Positiva
6 Oclusal Moderada 7,6 10,9 Positiva
7 Oclusal Moderada 8 10,9 Positiva
8 Oclusal Moderada 8 10,9 Positiva
9 Oclusal Moderada 9 10,9 Positiva
10 Oclusal Moderada 6 10,9 Positiva
11 Oclusal Moderada 8 10,9 Positiva

Durante las pruebas, los pacientes refirieron molestias en sus dientes bajo resinas en zonas oclusales, que no fueron detectadas por el odontólogo ni por el sistema. Esto genera dudas, que deben ser estudiadas a posterioridad, con respecto a la profundidad de penetración de la radiación infrarroja en los dientes.

CONCLUSIONES

La investigación demostró que existe una diferenciación entre los niveles de potencia reflejados por zonas cariadas y no cariadas, que permite establecer la presencia de caries dental. A pesar de que las condiciones orales a las que están sometidos los dientes varían de un individuo a otro, el sistema y los umbrales de presencia de caries planteados cumplen las expectativas deseadas. El método planteado ha demostrado ser eficaz, práctico y posee la posibilidad de minimizar costos. El sensor implementado detectó el 100% de las caries en las zonas oclusales donde fue probado. Desde luego, los test para los umbrales de presencia de caries que no fueron puestos a prueba por la inexistencia de pacientes deben ser objeto de estudios posteriores. Además, este sistema todavía necesita más estudios para encontrar métodos de diferenciación entre las potencias reflejadas de amalgamas, resinas y áreas cariadas. Esto conducirá a detecciones precisas y libres de falsos positivos. Del mismo modo, surgen preguntas sobre la profundidad de penetración de la radiación infrarroja en los dientes y la posible fluorescencia infrarroja inducida ocasionada al irradiar una zona cariada con luz infrarroja con longitud de onda de 830 nm. Estos fenómenos no fueron analizados en este trabajo.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la Universidad Popular del Cesar por su apoyo en esta investigación. De igual forma, agradecen a la odontóloga Laura Torres por las piezas dentales extraídas donadas para el desarrollo de la investigación.

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Recibido: 23 de Mayo de 2017; Aprobado: 10 de Abril de 2018

*CORRESPONDING AUTHOR Eberto Benjumea Mendoza (+57) 301 291 24 43 elbenjumea@unicesar.edu.co Salida a Patillal, Balneario Hurtado, Universidad Popular del Cesar, Laboratorio de Óptica e Informática Valledupar, Colombia

CONFLICTS OF INTEREST

The authors declare that they have no conflict of interest.

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