Imaging of the inner structure of cave bear teeth by novel non-destructive techniques
Plain Language Abstract
For the determination of the age-at-death of cave bears, various derivatives of bones are suited such as the skull or the baculum (penis bone). Typically, the most durable derivatives are teeth. During their lifetime, cement is deposited on the roots continually. Periodical variations in the nutrition in the course of the year can cause a deficiency of minerals in the cement, which enables us to distinguish annual increments like in trees. Up to now, it was necessary to cut off the roots of teeth to etch and stain the resulting surface to study these annuli. In this work, several non-destructive methods are compared to better visualize the microstructure in teeth. The spacings between the annuli can be less than 10 μm. Therefore, optical coherence tomography (OCT), a high-resolution (2.7 µm in air), non-destructive and contactless technology for two and three dimensional (2D, 3D) imaging, was applied. The OCT results were compared to X-ray micro computed tomography (µ-CT) and terahertz imaging (THz). While OCT could clearly detect the annuli, µ-CT images did not show any annuli but provided an excellent undistorted topography of enamel, dentin and cement in true aspect ratio. Compared to OCT, THz imaging exhibits much larger penetration depths up to centimeters, but with a lower resolution of about 1 mm. Thus, THz imaging provides insight into the internal structure of cave bear teeth on a larger scale, combined with the potential of spectroscopic evaluation. In conclusion we can say that the combination of these complementary methods is suited for a highly informative non-destructive characterization of teeth.
Resumen en Español
Obtención de imágenes de la estructura interna de los dientes del oso de las cavernas mediante nuevas técnicas no destructivas
El potencial de las técnicas no destructivas de obtención de imágenes, como la obtención de imágenes por tomografía de coherencia óptica (OCT), tomografía computarizada de rayos X micro-3D (μ-CT) y terahercios (THz), ha sido tenido en cuenta para tareas de diagnóstico de estructuras y de edad en el campo de la paleontología. En particular, OCT, una tecnología de alta resolución, no destructiva y que no establece contacto con el objeto para la obtención de imágenes de dos y tres dimensiones (2D, 3D), fue evaluada para investigar las microestructuras del cemento dental, concretamente de dentición del oso de las cavernas. OCT, con una resolución de profundización en el rango de micras, mostró su capacidad para permitir el conteo de las líneas de acreción anuales de cemento y, por lo tanto, para determinar la edad del individuo. Como método adicional, también se presenta la tecnología THz que exhibe una notoriamente mayor profundidad de penetración, la cual alcanza un rango centimétrico, pero con una resolución más baja respecto a OCT. De este modo, la obtención de imágenes por THz proporciona una idea de la estructura interna de los dientes del oso de las cavernas en una escala más grande. Además, para completar la variedad de técnicas no destructivas de obtención de imágenes consideradas en el presente estudio, se ha aplicado μ-CT para el análisis de las estructuras dentarias, y así obtener unos resultados para compararlos con los obtenidos con OCT y THz. La combinación de estos métodos complementarios es muy adecuada para la caracterización no destructiva de la dentición.
Palabras clave: tomografía; coherencia óptica; imágenes; terahercios; tomografía computarizada de rayos X; análisis de datos; elementos dentales; tridimensional (3D)
Traducción: Enrique Peñalver
Résumé en Français
Imagerie de la structure interne des dents d'ours des cavernes par des nouvelles techniques non destructives
Le potentiel des techniques d'imagerie non-destructives, comme la tomographie par cohérence optique (OCT), X-ray micro-3D tomodensitométrie (μ-CT) et l'imagerie térahertz (THz) a été considéré pour les tâches diagnostiques structurelles et de l'âge dans le domaine de la paléontologie. En particulier l'OCT, une technologie à haute résolution, non destructive et sans contact pour l'imagerie en deux ou trois dimensions (2D, 3D), a été évaluée pour l'enquête de microstructures de cément dentaire, illustré par des dents d'ours des cavernes. OCT avec une résolution de profondeur dans l'ordre du micron a montré sa capacité à compter les lignes d'apposition annuelle constituée du cément et donc de déterminer l'âge de l'individu. Comme autre méthode également la technologie THz est présentée, présentant une beaucoup plus grande profondeur de pénétration de plusieurs centimètres, mais avec une résolution plus faible, contrairement à l'OCT. Ainsi, l'imagerie THz donne un aperçu de la structure interne des dents d'ours des cavernes sur une plus grande échelle. En outre, pour compléter la variété des techniques d'imagerie non destructives considérées, μ-CT a été appliqué à l'analyse des structures de dents, en comparaison aux résultats de l'OCT et à l'imagerie THz. La combinaison de ces méthodes complémentaires est bien adaptée à la caractérisation non destructive des dents.
Mots-clés: tomographie; cohérence optique; imagerie; térahertz; Rayons X de tomographie assistée par ordinateur; analyse des données; dent (dents); trois dimensions (3D)
Translator: Kenny J. Travouillon
Deutsche Zusammenfassung
Abbildung der inneren Struktur eines Höhlenbärenzahns mit neuen zerstörungsfreien Techniken
Das Potential von zerstörungsfreien Abbildungstechniken wie optischer Kohärenztomographie (OCT), Röntgen-Mikro-3D-Computertompgraphie (μ-CT) und Terahertz-Abbildung (THz) wurde in der Paläontologie für Struktur-und Altersdiagnosen in Betracht gezogen. Besonders OCT, eine hochauflösende, zerstörungsfreie und kontaktfreie Technologie zur 2D und 3D Abbildung wurde für die Untersuchung von dentalen Zementmikrostrukturen am Beispiel eines Höhlenbärenzahns evaluiert. OCT mit einer Tiefenauflösung im Mikrometerbereich war fähig die jährlichen Anlagerungslinien aus Zement sichtbar zu machen und das Alter des Individuums zu bestimmen. Als zusätzlich Methode wird auch die THz Technologie vorgestellt, die mit bis zu einigen Zentimetern eine viel höhere Durchdringungstiefe aufweist, jedoch eine geringere Auflösung im Vergleich zu OCT hat. Somit gibt die THz Abbildung einen Einblick in die interne Struktur des Höhlenbärenzahns im größeren Maßstab. Um die Vielfalt der in Betracht gezogenen zerstörungsfreien Abbildungstechniken zu komplettieren, wurde darüber hinaus μ-CT zur Zahnstrukturanalyse im Vergleich zu den mit OCT und THz erzielten Ergebnissen eingesetzt. Die Kombination dieser sich ergänzenden Methoden ist für eine zerstörungsfreie Charakterisierung von Zähnen gut geeignet.
Schlüsselwörter: Tomographie; Optische Kohärenz; Abbildung; Terahertz; Röntgen-Computertomographie; Datenanalyse; Zahn (Zähne); dreidimensional (3D)
Translator: Eva Gebauer
Arabic
in progress
Translator: Ashraf M.T. Elewa
