Fortbildungsteil 1/2005

Der Laserstrahl als diagnostisches Instrument in der Zahnheilkunde

In Technik und Medizin haben (laser)optische Technologien in den letzten Jahrzehnten immer mehr an Bedeutung gewonnen. Lasergestützte Mess- und Detektionstechniken werden heute zum Beispiel zur zerstörungsfreien Materialprüfung, zur Vermessung von Werkstücken, in der Mikroskopie oder auch für photometrische Diagnoseverfahren in der Labormedizin verwendet. Der technische Aufwand, Lichtquellen mit exakt definierten Leistungsparametern, zum Beispiel in Bezug auf die emittierte Wellenlänge (Farbe des Lichts), zu schaffen, ist in den letzten zwei Jahrzehnten stark gesunken. Hierzu hat vor allen Dingen die Entwicklung von leistungsstarken Halbleiter- Lichtquellen (zum Beispiel Leuchtdioden und Diodenlaser) beigetragen. Ebenso stehen eine Vielzahl neuer optischer Sensoren (wie Photodioden) mit hohem Auflösungsvermögen zur Verfügung. Gerätesysteme, die auf diesen Technologien beruhen, haben in fast alle Bereiche des alltäglichen Lebens Einzug gehalten. Beispiele hierfür sind der CD- oder DVD-Player, die Laserwasserwaage, die Telekommunikation oder die so genannten Biochiptechnologie in der medizinischen Diagnostik. Auch in der Zahnheilkunde haben optische Detektions- und Messverfahren an Bedeutung gewonnen. So wird etwa für wissenschaftliche Fragestellungen die Lasertriangulation als messtechnisches Verfahren angewendet [Commer et al., 2002; Mehl et al., 1997]. Im Bereich der bildgebenden Verfahren werden Holographie- Techniken zur Modellanalyse eingesetzt [Papadopoulos et al., 2002], laserspektroskopische Verfahren können zur Materialund Gewebeanalyse herangezogen werden [Arvidsson et al., 2003]. Auf experimenteller Basis wurden Systeme entwickelt, die bei einer lasergestützten Abtragung der Karies das abladierte Material zur Steuerung des Exkavationsprozesses analysieren [Frentzen et al., 1990]. Die Laserdoppler-Flussmessung findet sowohl experimentelle wie klinische Anwendungen in der Zahnheilkunde. Im Rahmen der zahnärztlichen Traumatologie kann dieses Verfahren zur Bestimmung der Pulpadurchblutung (Vitalitätstest) eingesetzt werden [Emshoff et al., 2004], in der Parodontologie und Chirurgie teils experimentell teils klinisch zur Überprüfung von Durchblutungsparametern der gingivalen Weichgewebe beziehungsweise von Transplantaten [Perry et al., 1997; Kajikawa et al., 2003]. Dieses laseroptische Verfahren beruht auf dem so genannten Doppler-Effekt, der auf einer Verschiebung der Frequenz (zum Beispiel Tonhöhenänderung) beruht, wenn sich Sender (wie das Martinshorn) und Empfänger gegeneinander bewegen.

Die Laserfluoreszenzdetektion wird in verschiedenen zahnmedizinischen Fachdisziplinen, beispielsweise in der Tumordiagnostik [Ebihara et al., 2003; Muller et al., 2003], der Kariesdetektion [Bader et al., 2004] und in der Parodontologie [Krause et al., 2003] eingesetzt. Einige dieser Anwendungen haben bereits klinische Relevanz und sind für die Praxis verfügbar [Lussi et al., 2004]. Diese Applikationen sollen daher im Weiteren ausführlicher dargestellt werden.

Grundprinzipien der Laserfluoreszenzdiagnostik

Aus physikalischer Sicht fallen Fluoreszenzphänomene in den Bereich der Lumineszenz. Definitionsgemäß gehören hierzu Leuchterscheinungen, die durch nicht thermische Effekte stimuliert werden. Man unterscheidet die Phosphoreszenz, bei der es zu anhaltenden Leuchteffekten auch nach Ende der Lichtstimulation kommt (zum Beispiel Zifferblatt der Uhr) von der Fluoreszenz, bei der eine direkte Abstrahlung des Lichtes nach Anregung (< 10 bis 8 s) erfolgt. Bei Fluoreszenzerscheinungen führt die einwirkende Strahlungsenergie zu einer Überführung der Moleküle in einen angeregten Zustand. Bei Rückkehr in den elektronischen Grundzustand wird ein Teil der Energie als Wärme abgegeben, ein anderer Teil kann zur Aussendung von Fluoreszenzlicht führen, das folglich energieärmer und damit langwelliger als das Anregungslicht ist. Dies bedeutet, dass sich die Farbe des Fluoreszenzlichtes im Sinne einer „Rotverschiebung“ von der Farbe des anregenden Lichtes unterscheidet. Lumineszenzeffekte sind in der Natur nichts ungewöhnliches (zum Beispiel Glühwürmchen), Fluoreszenzeffekte sind Discobesuchern als so genannter „Schwarzlichteffekt“ bekannt.

Auch bei oralem Weich- und Hartgewebe treten Fluoreszenzerscheinungen auf. Für Zahnhartgewebe wurden solche Phänomene bereits vor mehr als 90 Jahren beschrieben [Stübel, 1911]. Durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht können sowohl Zahnschmelz als auch Dentin zur Fluoreszenz angeregt werden. Zur Kariesdetektion können allerdings auch andere Wellenlängen (Lichtfarben), wie „rotes Licht“, genutzt werden [König et al., 1998]. Die biologischen Effekte, die zur Induktion von Fluoreszenzphänomenen führen, sind noch weitgehend unbekannt [König et al., 1993].

Kariesdiagnostik

Die Kariesprävalenz ist in Deutschland seit Jahren rückläufig. Dies wird als Erfolg intensiver Präventionsbemühungen gewertet. Sicherlich spielt hier auch die mittlerweile ubiquitäre Fluoridsubstitution eine Rolle. Mit dem Rückgang der Karies hat sich allerdings auch ihr Erscheinungsbild gewandelt. Bemerkenswert ist zum einen das Phänomen der Polarisierung. Im Rahmen von DMF-T-Studien konnte gezeigt werden, dass vor allem bei Kindern und Jugendlichen wenige Individuen einen Großteil der Karies auf sich vereinigen [Micheelis und Reich, 1999]. Darüber hinaus wird eine nicht unerhebliche Zahl von kleinen Defekten mit weit reichender Schmelzabdeckung (versteckte Karies / „hidden caries“) beobachtet [Ekstrand et al., 2001]. Diese Veränderungen erfordern eine Umstellung im Rahmen der Diagnostik und Therapie [Young, 2002]. Im Bereich der Approximalkaries können kariöse Läsionen mit Bissflügelaufnahmen sehr gut dargestellt werden. Probleme ergeben sich im Bereich des Fissurenreliefs [Lussi und Francescut, 2003; Lazarchik et al., 1995]. Hier sind im Röntgenbild entsprechende Veränderungen erst in einem schon verhältnismäßig weit fortgeschrittenen Stadium zu erkennen. Daher wird seit längerer Zeit nach weiteren Methoden für die Kariesdiagnostik im Fissurenbereich gesucht. Neben Techniken, die unter anderem auf Widerstandsmessungen beruhen [Cortes et al., 2003; Bader et al., 2002], konnten hier Methoden auf Basis der Laser-Fluoreszenz-Detektion entwickelt werden [Heinrich-Weltzien et al., 2002; Lussi et al., 1999].

Das Messprinzip der elektrischen Widerstandsmessung ermöglicht eine Quantifizierung des kariösen Prozesses bei okklusalen Läsionen. Aufgrund der zufrieden stellenden Reproduzierbarkeit der Messwerte und der guten Korrelation zum histologischen Befund wird die Methode als viel versprechende Ergänzung zur klinischen Inspektion gewertet [Rock und Kidd, 1988]. Problematisch ist die verhältnismäßig geringe Spezifität: 29 Prozent nicht erkrankter Messareale werden als erkrankt detektiert [Rock and Kidd, 1988]. Eine wesentliche Begrenzung für den Einsatz in der zahnärztlichen Praxis ist die hohe Anwendungssensibilität.

Optische Methoden in Form der visuellen Inspektion beziehungsweise der fiberoptischen Transillumination (FOTI) sind traditionelle Hilfsmittel der Kariesdiagnose [Choksi et al., 1994]. Als besonders günstig hat sich der Nachweis von Fluoreszenzstrahlung erwiesen. Durch die Bestrahlung mit energiereichem Licht (ultraviolettes / blaues Licht) können sowohl Zahnschmelz als auch Dentin zur Fluoreszenz angeregt werden [Hartles und Leaver, 1953]. Kariöse Läsionen zeichnen sich hierbei durch ein schwächeres Fluoreszenzleuchten aus und können so von gesunder Zahnhartsubstanz unterschieden werden. Als Beispiel für eine klinische Anwendung sei hier das QLFTM-System (Quantitative Light Fluorescence) genannt, das insbesondere zur Detektion von Glattflächeninitialläsionen im Rahmen der Kariesdiagnostik genutzt werden kann [Amaechi et al., 2003; Tranaeus et al., 2002]. Die Möglichkeit, kariöse Bereiche zu einer stärkeren Fluoreszenz als gesunde Zahnhartsubstanzen anzuregen, ist erst seit zirka zehn Jahren bekannt [Hibst und Gall, 1998]. Die Gesamtintensität des Fluoreszenzlichtes nimmt zwar mit zunehmender Anregungswellenlänge ab, doch relativ zur Fluoreszenzintensität gesunder Zahnhartgewebe steigt die von kariösen Läsionen emittierte Strahlung an. Bei einer Anregungswellenlänge von 655 Nanometern soll die Gesamtintensität des gemessenen Fluoreszenzlichtes mit dem Vorhandensein einer kariösen Läsion korrelieren. Nach diesem Prinzip arbeitet zum Beispiel das DiagnoDent®-System (KaVo, Biberach) zur Kariesdiagnostik [Hibst und Paulus, 1999; Hibst und Paulus, 2000]. Erste Studien zeigten in Bezug auf die Detektion okklusaler Läsionen sehr gute Ergebnisse [Tonioli et al., 2002; El-Housseiny und Jamjoum, 2001].

Als Fluorofore, die zur Induktion dieser Fluoreszenz-Phänomene führen, vermutet man nicht morphologische Veränderungen im Zahnhartgewebe (zum Beispiel die Entkalkung) sondern Stoffwechselprodukte der Karies-Mikroflora – unter anderem Porphyrinderivate [König et al., 1998]. Über ihre genaue chemische Konfiguration und Lokalisation innerhalb kariöser Läsionen ist bisher nur wenig bekannt. Im Schmelz wurden die höchsten Fluoreszenz-Messwerte in der Zone der Kavitation beziehungsweise im Zentrum der Läsion ermittelt [Frentzen et al., 2004]. Im Dentin wurden die höchsten Werte in der Zone der Kavernenbildung gemessen. Die Werte sanken kontinuierlich zur Peripherie der Läsionen hin ab. Die Messwerte von gesunden Schmelzoberflächen unterschieden sich nicht von unverändertem Dentin [Frentzen et al., 2004]. Das Maximum des Detektionssignals lag jeweils im Zentrum der kariösen Läsion. Dies bestätigt die Validität des Messverfahrens im Bezug auf die klinische Aussage.

Als kommerziell verfügbares Gerät für die klinische Kariesdetektion der Fissurenkaries auf Laserfluoreszenzbasis konnte sich das „DiagnoDent®-System“ in zahlreichen Studien zwischenzeitlich bewähren (Abb. 1). Im Vergleich zur reinen Beurteilung eines Röntgenbilds kann die Erkennung einer „versteckten kariösen Läsion“ im okklusalen Bereich eines Zahns verbessert werden [Tonioli et al., 2002; Shi et al., 2000; Sheehy et al., 2001]. Allerdings können Zahnstein, Hypomineralisationen, Kunststofffüllungs- und Versiegelungsmaterialien, verbliebene Reinigungspasten und Verfärbungen zu einem falsch-positiven Ergebnis führen [Braun et al., 1999; Krause et al., 2002; Lussi et al., 1999; Lussi et al., 2001].

Da das System die Menge der Fluoreszenzstrahlung mit einem Zahlenwert zwischen „0“ und „99“ ausgibt, haben sich In-vitro- Untersuchungen damit beschäftigt, eine histologische Korrelation der DiagnoDent®- Werte mit der Tiefe einer kariösen Läsion zu untersuchen [Braun et al., 2000a]. Eine solche Korrelation konnte jedoch nicht festgestellt werden (Abb. 2). Dies lässt sich dadurch erklären, dass wahrscheinlich nicht nur die Fluoreszenz der Läsion in der Tiefe, sondern auch die der den Schmelz unterminierenden Karies das Messergebnis beeinflussen. Ein weiterer Versuch, die mit dem DiagnoDent®-System gewonnen Ergebnisse zu interpretieren, ist die Korrelation der Messwerte mit der Behandlungsbedürftigkeit [Braun et al., 2000b; Lussi et al., 2001]. Nach Lussi et al. [2001] erfordern Werte zwischen „0“ und „13“ keine invasive Behandlung. Werte zwischen „14“ und „20“ deuten auf die Notwendigkeit verstärkter präventiver Maßnahmen, zwischen „21“ und „29“ in Abhängigkeit vom jeweiligen individuellen Kariesrisiko auf die Notwendigkeit für restaurative Maßnahmen hin. Werte größer als „29“ erfordern in der Regel eine restaurative Therapie. Aufgrund einer relativ hohen Schwankung der Messergebnisse wird nach Braun et al. [2000b] die Grenze zwischen der in der Regel nicht invasiven zahnärztlichen Therapie und verstärkten präventiven Maßnahmen schon bei einem Wert von „10“ gesehen. In Abhängigkeit vom individuellen Kariesrisiko kann nach dieser Studie der Wert „30“ als Schwellenwert für restaurative Maßnahmen herangezogen werden. Zusammenfassend stimmen beide zuvor genannten Untersuchungen darin überein, dass diese Werte eine restaurative Therapie erfordern (Abb. 3). Der geringere Mineralgehalt von Milchzähnen [Wilson and Beynon, 1989] hat möglicherweise einen Einfluss auf die Messwerte [Lussi et al., 2003], so dass die oben genannten Richtlinien bei diesen Zähnen nur mit Einschränkungen verwendet werden sollten. An dieser Stelle ist aber deutlich darauf hinzuweisen, dass das Erreichen eines bestimmten Messwerts keinen Automatismus in der Behandlungsentscheidung bedeuten kann und soll. Vielmehr dienen die Laser-Fluoreszenz-Messwerte als zusätzliche Referenz nach der Inspektion der Fissur zur Beurteilung der Behandlungsbedürftigkeit. Nur im Zusammenhang mit dem klinischen Bild sollten die Fluoressenz-Messwerte für die Therapieentscheidung genutzt werden. Zur Bestimmung reproduzierbarer Messwerte ist es unabdingbar, eine Reinigung der zu beurteilenden Zahnflächen durchzuführen. Durch Verunreinigungen und Verfärbungen können die Werte andernfalls erhöht erscheinen [Braun et al., 1999; Lussi et al., 1999]. Ebenfalls können erhöhte Messwerte durch eine Austrocknung der Zahnoberfläche provoziert werden [Braun et al. 2000c]. In allen Fällen ist es wichtig, die Messergebnisse in Abhängigkeit von der Systemkalibrierung zu sehen. Die oben angesprochenen Richtlinien zur Einschätzung der Behandlungsbedürftigkeit beziehen sich auf Werte nach individueller Kalibrierung der Messapparatur. Dabei wird die Eigenfluoreszenz gesunder Zahnhartsubstanz von den Einzelergebnissen abgezogen.

Aufgrund der guten Reproduzierbarkeit der Laser-Fluoreszenz-Messwerte kann das System zur Langzeitbeobachtung der Progredienz fraglicher kariöser Läsionen verwendet werden [Lussi et al., 2001; Pinelli et al., 2002]. In diesem Zusammenhang ist allerdings eine spezifische Gerätekalibrierung erforderlich [Braun et al., 2005]. Darüber hinaus kann die Fluoreszenzdetektion auch im Rahmen von Fissurenversiegelungsmaßnahmen genutzt werden. Vor Applikation des Versieglers kann sichergestellt werden, dass keine therapiebedürftige Läsion im Fissurenrelief vorliegt. Bei Anwendung transparenter Materialien ist auch im Rahmen der nachfolgenden Betreuung eine Karies-Kontrolle möglich. Im Einzelfall muss jedoch die Eignung des Versiegelungsmaterials für die Fluoreszenzdetektion vorher sichergestellt werden [Krause et al., 2003].

Der Einsatz von Laser-Fluoreszenz-Messungen erleichtert bei richtiger Anwendung die Behandlungsentscheidung. Ferner ist die Möglichkeit gegeben, die Progredienz oder Stagnation einer fraglichen kariösen Läsion und die Effektivität prophylaktischer Behandlungsmaßnahmen zu beurteilen. Als weiteres Anwendungsfeld für die Laser- Fluoreszenz-Detektion gilt die Kontrolle der Kariesexkavation. Das Messprinzip des DiagnoDent®-Systems kann als Rückkopplungssystem zum Beispiel in Kombination mit einem Er:YAG-Laser zur Kariesentfernung betrieben werden. Dabei soll es zur selektiven Entfernung von erkrankter Zahnhartsubstanz in kariösen Läsionen beitragen. Erste Ergebnisse sind viel versprechend. Doch weitere Studien sind notwendig, um unter anderem einen geeignete Schwellenwerte für die Aktivierung des therapeutischen Lasers zu bestimmen.

PAR-Diagnostik

Im Rahmen der Weiterentwicklung der parodontologischen Diagnostik wurde in den letzten Jahrzehnten über die klassischen Methoden, zum Beispiel zur Bestimmung des Attachmentverlustes, hinaus ein großes Spektrum biotechnologischer Verfahren entwickelt. Hierzu zählen unter anderem mikrobiologische und genetische Tests zur individuellen Risikobestimmung [Jervoe- Storm und Frentzen, 2002]. Für die Betreuung und Behandlung von Patienten mit einer marginalen Parodontitis sind für den Kliniker jedoch Verfahren von besonderem Interesse, die über den Sondierungs- beziehungsweise Röntgenbefund hinaus den Zustand der Wurzeloberfläche beschreiben. Im Rahmen der Instrumentierung der Wurzeloberfläche ist es insbesondere bei geschlossener Vorgehensweise von Bedeutung festzustellen, inwieweit eine adäquate Bearbeitung der Wurzeloberfläche erfolgt ist. Da man zur Überprüfung des Reinigungserfolgs aufgrund fehlender visueller Kontrolle bis heute auf das taktile Empfinden mit einer Sonde angewiesen ist, sind Detektionssysteme wünschenswert, die objektiv die Vollständigkeit der Wurzelreinigung erfassen [Low, 2000]. Bisher konnten nur experimentelle Systeme zur Kontrolle und Steuerung von Zahnreinigungsinstrumenten entwickelt werden. Hierzu zählen die Messung von Resonanzschwingungen im Rahmen der Ultraschallbearbeitung sowie spektroskopische Verfahren im Rahmen von Laseranwendungen [Kocher et al., 2000; Frentzen et al., 1990]. Im Gegensatz hierzu stehen lichtoptische Methoden, die durch Fluoressenzmessungen beziehungsweise reflektionsspektroskopische Analysen Zahnstein, Konkremente beziehungsweise Biofilme auf der Wurzeloberfläche detektieren können. In grundlegenden histologischen Untersuchungen an menschlichen extrahierten Zähnen konnte nachgewiesen werden, dass mit der Laserfluoreszenzspektroskopie beziehungsweise reflektionsspektroskopischen Verfahren eine eindeutige und reproduzierbare Detektion von Konkrementen möglich ist [Krause et al., 2005; Krause und Braun, 2004; Krause et al., 2003]. Taschenexsudate stören dabei die Messungen nicht. Auch Flüssigkeiten mit korpuskulären Bestandteilen, wie Blut, nehmen keinen Einfluss auf das Ergebnis dieser Messungen. Wurzeloberflächen mit Konkrementen zeigten nach vollständigem Scaling und Root planing keine erhöhten Messwerte mehr an. Die faseroptische Detektion von Konkrementen mit den oben genannten Methoden zeigt eine hohe Ortsauflösung, so dass Auflagerungen der Zahnoberfläche in der Zahnfleischtasche präzise geortet werden können [Frentzen und Ehrentraud, 2004]. Diese Verfahren sind den Möglichkeiten einer taktilen Begutachtung der Wurzeloberfläche durch den Behandler im Rahmen geschlossener Behandlungsverfahren überlegen (Abb. 4).

Die Laserfluoreszenzspektroskopie ist ein Verfahren, das eine unmittelbare Kontrolle der Oberflächenbearbeitung im Sinne einer Behandlungskontrolle ermöglicht. Somit kann diese Technik auch zur Steuerung von Zahnreinigungssystemen genutzt werden. Es ist denkbar, eine selektive Ortung von subgingivalen Auflagerungen zum Beispiel an Ultraschallsysteme oder Laser zu koppeln. Als erstes Beispiel für dieses Vorgehen ist die Entwicklung des KaVo-Key-III-Lasers® zu sehen, bei dem mithilfe eines Rückkopplungs- Mechanismus ein selektiver Abtrag von Konkrementen von der Zahnoberfläche bewirkt werden soll [Braun et al., 2004]. Durch das Applikationssystem des Lasers wird der Diagnosestrahl so geleitet, dass je nach Messresultat der Laser entweder automatisch abgeschaltet werden kann oder das Laserscaling solange fortgesetzt wird, bis alle Konkremente entfernt wurden (Abb. 5). Durch diese Vorgehensweise soll insbesondere bei minimalinvasivem Vorgehen eine bisher nicht ermöglichte Qualitätssicherung erreicht werden. Da der technische Aufwand für solche Detektionssysteme im Zeitalter der Mikroelektronik vergleichsweise gering gehalten werden kann, könnten solche Feedback-Systeme die Parodontologie revolutionieren.

Inwieweit sich hierdurch unter klinischen Bedingungen jedoch tatsächlich verbesserte Behandlungsergebnisse erzielen lassen, ist bisher noch nicht gesichert. In entsprechenden Studien wurde beobachtet, dass nach nicht chirurgischer Parodontaltherapie der Attachmentgewinn in etwa dem aus konventionellen Studien bekannten Untersuchungen ohne Anwendung lichtoptischer Detektionshilfen entspricht [Sculean et al., 2004].

Ausblick

Optische Technologien zur Diagnostik in Medizin und Zahnheilkunde werden in Zukunft erheblich an Bedeutung gewinnen. Sie machen minimalinvasive Therapiemethoden erst möglich und verantwortbar. Man wird sich auch in der Zahnmedizin an eine Reihe neuer Fachtermini, wie „Polarisationsoptische Kohärenztomographie“, „Terahertz Imaging“, „Fluoreszenzspektroskopie“ oder „Modulierte Laserlumineszenz“, gewöhnen müssen. Der schnelle Fortschritt in der Mikroelektronik und Bioplatonik wird diese Verfahren der Praxis zugänglich machen und traditionelle Diagnosehilfsmittel, wie die Röntgentechnik oder die Transillumination, möglicherweise verdrängen.

Prof. Dr. Matthias Frentzen
Zentrum für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde Bonn
Poliklinik für Parodontologie, Zahnerhaltung und Präventive Zahnheilkunde
Welschnonnenstr. 17
53111 Bonn
frentzen@uni-bonn.de

OA Dr. Andreas Braun
Zentrum für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde Bonn
Poliklinik für Parodontologie, Zahnerhaltung und Präventive Zahnheilkunde
Welschnonnenstr. 17
53111 Bonn
andreas.braun@uni-bonn.de

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