JP4469977B2 - Teeth optical interference tomography device - Google Patents
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Description
本発明は、歯の光干渉トモグラフィー装置に関し、歯の断層画像を得て、歯の特性を検査する虫歯検知装置に適用すると極めて有効なものである。 The present invention relates to a tooth optical interference tomography apparatus, and is extremely effective when applied to a caries detection apparatus that obtains a tomographic image of a tooth and inspects the characteristics of the tooth.
オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィ法(以下「OCT法」という。)は、生体に対して無侵襲性を有すると共に高分解能を有することから、眼の網膜の断層撮影に利用されるだけでなく、網膜以外の他の器官の断層撮影にも適用が試みられており(例えば、下記非特許文献1等参照)、例えば、歯の特性を検知することが考えられている(例えば、下記非特許文献2等参照)。
An optical coherence tomography method (hereinafter referred to as “OCT method”) is not only invasive to a living body but also has a high resolution, so that it is not only used for tomography of the retina of the eye, but also the retina. Application to tomography of other organs other than those is also attempted (for example, see Non-Patent
しかしながら、前述したような従来のOCT法を利用したオプティカル・コヒーレンス・トモグラフ装置(以下「OCT装置」という。)では、光源として広帯域のブロードバンドが必要であり、このために、スーパ−ルミネッセントダイオードやファイバ増幅器の自然発光光源を用いるため、現状で入手可能な波長領域が0.85μmか1.31μmで行われていた(例えば非特許文献2のp594等参照)。しかし、より深い侵達距離を得るためには、より長い波長での測定が必要となる。そこで、容易に入手可能で、より長い波長領域で発光する光源と、その光源を用いてOCT計測を可能にする方法が必要とされていた。 However, in the optical coherence tomograph apparatus (hereinafter referred to as “OCT apparatus”) using the conventional OCT method as described above, a broadband broadband is required as a light source. For this reason, a super-luminescent diode is used. In addition, since a natural light source of a fiber amplifier is used, the wavelength range available at present is 0.85 μm or 1.31 μm (for example, see p594 of Non-Patent Document 2). However, in order to obtain a deeper penetration distance, measurements at longer wavelengths are required. Therefore, there is a need for a light source that can be easily obtained and emits light in a longer wavelength region, and a method that enables OCT measurement using the light source.
また、OCTの信号は、侵達度が深くなればなるほど弱くなり、より深い侵達距離で測定を可能にするためには、測定の感度がより高いOCTの方法を用いる必要があった。 In addition, the OCT signal becomes weaker as the penetration degree becomes deeper, and in order to enable measurement at a deeper penetration distance, it is necessary to use an OCT method with higher measurement sensitivity.
また、例えば、歯のエナメル質中の初期虫歯を検知しようとすると、エナメル質を構成する微結晶(水酸化リン灰石)が複屈折率を有するため、偏光特性を測定できない装置を用いた断層像では不鮮明になることがあり、従来よりも長い波長領域においてより感度の高いOCT計測が可能であるとともに、偏光特性の測定も可能にする断層像撮像用のOCTである必要があった。 Also, for example, when trying to detect the initial caries in the tooth enamel, the microcrystals (apatite hydroxide) that make up the enamel have a birefringence, so a fault using a device that cannot measure polarization properties The image may become unclear, and it is necessary to be an OCT for tomographic imaging that enables OCT measurement with higher sensitivity in a wavelength region longer than that in the past and also enables measurement of polarization characteristics.
また、従来のような強度の測定のみよりも、より正確な診断知見が得られる、構成物資の組成比の測定も可能にする分光可能なOCTが必要とされていた。 Further, there is a need for a spectroscopic OCT that enables measurement of the composition ratio of constituents, which can provide more accurate diagnostic knowledge than conventional intensity measurement alone.
また、従来のOCTでは、参照用ミラーを機械的に動かさなければならないため測定速度に制限があり、測定時間中に被測定対象の歯が動いてしまい、断層画像に歪み(アーティファクト)が生じる問題があった(例えば非特許文献2のp596等参照)。このため、上記の性能を実現できるとともに、より速い測定速度の向上も実現できるOCTの方法が必要とされていた。 Further, in the conventional OCT, since the reference mirror has to be moved mechanically, the measurement speed is limited, and the tooth to be measured moves during the measurement time, resulting in a distortion (artifact) in the tomographic image. (See, for example, p596 of Non-Patent Document 2). For this reason, there has been a need for an OCT method that can realize the above-described performance and also achieve a faster measurement speed improvement.
このようなことから、本発明は、高感度、高速で、組織組成の弁別性を可能にした歯の光干渉トモグラフィー装置を提供することにより、微小な初期虫歯であっても、容易に検知することができる虫歯検知装置を提供し、歯の詳細な検査を可能にすることを目的とする。 For this reason, the present invention can detect even a minute initial caries by providing a high-sensitivity, high-speed, and tooth optical interference tomography device capable of distinguishing tissue composition. It is an object of the present invention to provide a dental caries detection device that can perform detailed examination of teeth.
前述した課題を解決するための、本発明に係る歯の光干渉トモグラフィー装置は、波長を離散的に切り替えながら光を出射させる可変波長光発生装置を光源として用いている可変波長光発生手段と、歯の偏光特性を測定する偏光特性測定手段とを備え、前記偏光特性測定手段が、前記可変波長光発生手段から発生した光の偏光方向を制御して測定光と参照光とに分割する主分割手段と、前記主分割手段で分割された前記測定光を口腔内の歯に照射する測定光照射手段と、前記歯に照射されて反射した信号光を捕捉する信号光捕捉手段と、前記信号光捕捉手段で捕捉された前記信号光を2以上の偏光方向成分に分離し、前記主分割手段で分割された前記参照光とそれぞれ合波する合波手段と、合波された偏光方向の異なる信号の光の強度に基づいて、前記歯の偏光特性を求めると共に、入力された情報に基づいて前記可変波長光発生装置を制御する演算制御手段とを備えていることを特徴とする。 The tooth optical interference tomography device according to the present invention for solving the above-mentioned problem is a variable wavelength light generation means using a variable wavelength light generation device that emits light while discretely switching wavelengths as a light source, A polarization characteristic measuring means for measuring the polarization characteristics of the teeth, wherein the polarization characteristic measuring means controls the polarization direction of the light generated from the variable wavelength light generating means and divides the light into measurement light and reference light. Means, measurement light irradiation means for irradiating the teeth in the oral cavity with the measurement light divided by the main division means, signal light capturing means for capturing the signal light irradiated and reflected on the teeth, and the signal light The signal light captured by the capturing means is separated into two or more polarization direction components, and combined with the reference light divided by the main dividing means, respectively, and the combined signals having different polarization directions Based on the light intensity of Te, along with determining the polarization characteristics of the tooth, characterized in that based on the input information and a calculation control means for controlling the variable wavelength light generating apparatus.
前述した課題を解決するための、本発明に係る歯の光干渉トモグラフィー装置は、波長を離散的に切り替えながら光を出射させる可変波長光発生装置を光源として用いている可変波長光発生手段と、歯の偏光特性を測定する偏光特性測定手段とを備え、前記偏光特性測定手段が、前記可変波長光発生手段から発生した光を測定光と参照光とに分割する主分割手段と、前記主分割手段で分割された前記測定光を口腔内の歯に照射する測定光照射手段と、前記歯に照射されて反射した信号光を捕捉する信号光捕捉手段と、前記信号光捕捉手段で捕捉された前記信号光と前記主分割手段で分割された前記参照光とを合波する合波手段と、前記可変波長光発生装置から発生させる前記光を目的とする波長領域となるように、入力された情報に基づいて当該可変波長光発生装置を制御すると共に、当該可変波長光発生装置から発生させた光の波長領域及び前記合波手段で合波された光の強度に基づいて、前記歯の特性を求める演算制御手段とを備えていることを特徴とする。 The tooth optical interference tomography device according to the present invention for solving the above-mentioned problem is a variable wavelength light generation means using a variable wavelength light generation device that emits light while discretely switching wavelengths as a light source, A polarization characteristic measuring means for measuring the polarization characteristics of the teeth, wherein the polarization characteristic measuring means divides the light generated from the variable wavelength light generating means into measurement light and reference light, and the main division Measurement light irradiating means for irradiating the teeth in the oral cavity with the measurement light divided by the means, signal light capturing means for capturing the signal light reflected by the teeth, and captured by the signal light capturing means and multiplexing means for multiplexing the divided said reference light by said main dividing means and said signal light, so that the variable wavelength light generating apparatus wavelength region for the purpose of the light to be generated from the inputted based on the information Controls the said variable-wavelength light generating apparatus, based on the intensity of the combined beam in the variable wavelength light generating apparatus light which is generated from the wavelength region and the multiplexing means, the operation control for obtaining the characteristics of the tooth characterized Tei Rukoto and means.
前述した課題を解決するための、本発明に係る歯の光干渉トモグラフィー装置は、波長を離散的に切り替えながら光を出射させる可変波長光発生装置を光源として用いている可変波長光発生手段と、前記可変波長光発生手段から発生した光を測定光と参照光とに分割する主分割手段と、前記主分割手段で分割された前記測定光を口腔内の歯に照射する測定光照射手段と、前記歯に照射されて反射した信号光を捕捉する信号光捕捉手段と、前記信号光捕捉手段で捕捉された前記信号光と前記主分割手段で分割された前記参照光とを合波する合波手段と、前記可変波長光発生装置から発生させる前記光を目的とする波長領域となるように、入力された情報に基づいて当該可変波長光発生装置を制御すると共に、当該可変波長光発生装置から発生させた光の波長領域及び前記合波手段で合波された光の強度に基づいて、前記歯の特性を求める演算制御手段とを備えていることを特徴とする。 The tooth optical interference tomography device according to the present invention for solving the above-mentioned problem is a variable wavelength light generation means using a variable wavelength light generation device that emits light while discretely switching wavelengths as a light source , Main splitting means for splitting light generated from the variable wavelength light generating means into measurement light and reference light; measurement light irradiating means for irradiating teeth in the oral cavity with the measurement light split by the main splitting means; Signal light capturing means for capturing the signal light irradiated and reflected on the teeth, and combining the signal light captured by the signal light capturing means and the reference light divided by the main dividing means and means, so that said tunable wavelength light generating apparatus wavelength region for the purpose of the light to be generated from, as well as controlling the variable wavelength light generating apparatus based on the input information, from the variable-wavelength light generating apparatus Generated It was based on the intensity of the light multiplexed by a wavelength region and the multiplexing means of light, characterized by Tei Rukoto and an arithmetic control means for determining the characteristics of the tooth.
本発明に係る歯の光干渉トモグラフィー装置は、上述した歯の光干渉トモグラフィー装置において、前記演算制御手段が、異なる複数の波長領域の光を発生させるように前記可変波長光発生手段を制御すると共に、前記合波手段で合波された前記光の強度を各波長領域ごとに求めることにより前記歯の特性を求めるものであることを特徴とする。 According to the tooth optical interference tomography apparatus of the present invention, in the above-described tooth optical interference tomography apparatus , the calculation control unit controls the variable wavelength light generation unit so as to generate light in a plurality of different wavelength regions. The characteristic of the tooth is obtained by obtaining the intensity of the light combined by the combining means for each wavelength region .
本発明に係る歯の光干渉トモグラフィー装置は、上述した歯の光干渉トモグラフィー装置において、前記演算制御手段が、出射光を目的とする波長可変範囲及び走査波数の所定の波長で測定時間内にすべて走査させるように、前記可変波長光発生装置を制御するものであることを特徴とする。 The tooth optical interference tomography device according to the present invention is the above-described tooth optical interference tomography device , wherein the calculation control means is capable of performing all of the measurement within a measurement time within a predetermined wavelength of the wavelength variable range and the scanning wave number for the emitted light. The variable wavelength light generator is controlled so as to be scanned .
本発明に係る歯の光干渉トモグラフィー装置は、上述した歯の光干渉トモグラフィー装置において、前記演算制御手段が、前記可変波長光発生装置から発生可能な測定光の可変波長領域を第一の波長領域と第二の波長領域との二つに分割し、歯の厚さ方向における、前記第一の波長領域の測定光に対する信号光Ls1の強度と、前記第二の波長領域の測定光に対する信号光Ls2の強度とをそれぞれ求め、前記信号光Ls1,Ls2の強度の分布から各波長領域毎の光吸収係数の分布をそれぞれ求め、上記光吸収係数の分布から、歯のエナメル質の組成物と水分との単位体積当たりの存在量の割合の分布を求めることにより、前記歯の特性を求めるものであることを特徴とする。 The tooth optical interference tomography device according to the present invention is the above-described tooth optical interference tomography device , wherein the calculation control means sets the variable wavelength region of the measurement light that can be generated from the variable wavelength light generator as a first wavelength region. And the second wavelength region, and the intensity of the signal light Ls1 with respect to the measurement light in the first wavelength region and the signal light with respect to the measurement light in the second wavelength region in the tooth thickness direction The intensity of Ls2 is obtained, the distribution of the light absorption coefficient for each wavelength region is obtained from the intensity distribution of the signal lights Ls1 and Ls2, and the composition of the tooth enamel and the moisture are obtained from the distribution of the light absorption coefficient. The characteristic of the tooth is obtained by obtaining the distribution of the ratio of the abundance per unit volume .
本発明に係る歯の光干渉トモグラフィー装置は、上述した歯の光干渉トモグラフィー装置において、前記演算制御手段が、前記合波手段で合波された前記光の強度を各波長領域ごとに求めることにより前記歯の光吸収係数を求め、前記光吸収係数に基づいて、前記歯のエナメル質又は象牙質の組成物の単位体積当たりの存在量又は前記歯のエナメル質又は象牙質の単位体積当たりの水分の存在量を求めることにより、前記歯の特性を求めるものであることを特徴とする。 The tooth optical interference tomography device according to the present invention is the above-described tooth optical interference tomography device , wherein the calculation control unit obtains the intensity of the light combined by the combining unit for each wavelength region. Obtaining the light absorption coefficient of the tooth, and based on the light absorption coefficient, the abundance per unit volume of the enamel or dentin composition of the tooth or the moisture per unit volume of the tooth enamel or dentin The characteristic of the tooth is obtained by obtaining the abundance of .
本発明に係る歯の光干渉トモグラフィー装置は、上述した歯の光干渉トモグラフィー装置において、前記出射光の波数の可変範囲の幅を4.7×10 -2 μm -1 以上、当該出射光の周波数幅を13GHz以下、当該出射光の周波数間隔を15GHz以下、当該出射光の波数間隔を3.1×10 -4 μm -1 以下、当該出射光の時間間隔を530μs以下として測定時間内で当該出射光の波数をすべて離散的に切り替えるように、前記演算制御手段が前記可変波長光発生装置を制御するものであることを特徴とする。 The tooth optical interference tomography apparatus according to the present invention is the above-described tooth optical interference tomography apparatus, wherein the width of the variable range of the wave number of the emitted light is 4.7 × 10 −2 μm −1 or more, and the frequency of the emitted light is The width is 13 GHz or less, the frequency interval of the emitted light is 15 GHz or less, the wave number interval of the emitted light is 3.1 × 10 −4 μm −1 or less, and the time interval of the emitted light is 530 μs or less. The arithmetic and control means controls the variable wavelength light generator so that all wave numbers of incident light are switched discretely .
本発明に係る歯の光干渉トモグラフィー装置によれば、より深い侵達距離を得るために必要とされる、従来よりも長い波長領域で発光する光源と、その光源を用いてOCT計測を可能にする装置が可能となり、さらに、測定の感度が上がるため、より深い侵達距離で測定を可能にできる。 According to the optical interference tomography device for teeth according to the present invention, a light source that emits light in a longer wavelength region than that required in the past, which is necessary for obtaining a deeper penetration distance, and OCT measurement using the light source are possible. In addition, since the sensitivity of the measurement is increased, the measurement can be performed at a deeper penetration distance.
また、偏光特性の測定も可能になるOCT計測装置であることにより、例えば、エナメル質のように複屈折率を有する歯の組織でも、断層像を鮮明にすることができる。
また、分光可能なOCT装置であることによって構成物資の組成比の測定も可能になり、従来のような単に強度の測定のみのOCT装置よりも、より正確な診断知見が得られる。
また、従来のOCT装置よりもよりも速い測定速度を実現したOCT装置であることによって、測定時間中に被測定対象の歯が動くことによる断層画像の歪み(アーティファクト)は減少させることができる。
In addition, since the OCT measuring apparatus is capable of measuring polarization characteristics, a tomographic image can be made clear even in a tooth tissue having a birefringence, such as enamel.
In addition, the OCT apparatus capable of spectroscopic analysis enables measurement of the composition ratio of constituents, and more accurate diagnostic knowledge can be obtained than a conventional OCT apparatus that merely measures intensity.
In addition, since the OCT apparatus realizes a measurement speed faster than that of the conventional OCT apparatus, it is possible to reduce tomographic image distortion (artifact) due to the movement of the tooth to be measured during the measurement time.
よって、本発明に係る虫歯検知装置によれば、微小な初期虫歯であっても、容易に検知することができる。 Therefore, according to the caries detection device according to the present invention, even a minute initial caries can be easily detected.
歯における散乱による光の吸収係数は、エナメル質では波長632nmで60cm-1、1053nmで15cm-1であり、象牙質では620nmで280cm-1、1053nmで260cm-1であることが報告されている(例えば非特許文献2のp593等参照)。散乱による光の吸収係数を減少させるためには、長波長の方が有利である。図6にエナメル質と水の吸収係数の波長依存性を示す。エナメル質は、吸収係数が波長の増加とともに指数関数的に減少するので、長波長のほうが有利である。厚さ5mmmの層を通してOCTの測定を可能とするためには、OCTの現状の感度である−120dBでは、吸収係数が30cm-1以下である必要がある。この基準で、5mmの厚さのエナメル質を透過して、象牙質の測定を可能とするためには、図6からわかるように、波長を0.9μm以上とする必要がある。 It has been reported that the absorption coefficient of light due to scattering in the teeth is 60 cm −1 at a wavelength of 632 nm, 15 cm −1 at 1053 nm for enamel, 280 cm −1 at 620 nm and 260 cm −1 at 1053 nm for dentin. (See, for example, p593 of Non-Patent Document 2). In order to reduce the light absorption coefficient due to scattering, longer wavelengths are more advantageous. FIG. 6 shows the wavelength dependence of the absorption coefficient of enamel and water. Enamel is more advantageous at longer wavelengths because its absorption coefficient decreases exponentially with increasing wavelength. In order to enable OCT measurement through a layer having a thickness of 5 mm, the absorption coefficient needs to be 30 cm −1 or less at the current sensitivity of −120 dB of OCT. In order to allow the dentin to be measured through the enamel having a thickness of 5 mm based on this standard, the wavelength needs to be 0.9 μm or more as can be seen from FIG.
図6に水100%による光の吸収係数を示す。実際にはエナメル質中の水の組成比は1〜2%であり、エナメル質の吸収の影響と比べるためには、図6の水の吸収のグラフを縦軸方法に100〜50分の1に縮める必要がある。このように、歯の組織においては、水の吸収による影響は小さい。しかし、約1.45μmに最初の吸収ピークが、約3μmには水の強い吸収係数のピークがあり、虫歯に溜まった水を検出するためには、このピークを利用するのが有利である。しかし、更に小波長領域になるほど、熱雑音の影響が増すので、5μm以下の波長が望ましい。 FIG. 6 shows the absorption coefficient of light with 100% water. Actually, the composition ratio of water in the enamel is 1 to 2%, and in order to compare with the effect of enamel absorption, the water absorption graph of FIG. It is necessary to shorten it. Thus, in the tooth tissue, the influence of water absorption is small. However, there is an initial absorption peak at about 1.45 μm and a strong absorption coefficient peak for water at about 3 μm, and it is advantageous to use this peak to detect water accumulated in the caries. However, since the influence of thermal noise increases as the wavelength becomes smaller, a wavelength of 5 μm or less is desirable.
OCTには、OCDR(オプティカル・コヒーレンス・ドメイン・リフレクトメータ)法、FD(フリーケンシー・ドメイン)法、OFDR(オプティカル・フリーケンシー・ドメイン・リフレクトメータ)法の3つの方法が知られている。光の歯への照射強度が、生体の安全性から限界があるとき、OFDR法はOCDR法に比べ100から1000倍、FD法に比べ数十倍感度が良いことが知られおり、まず感度からOFDR法が最良の方法である。 There are three known OCT methods: OCDR (Optical Coherence Domain Reflectometer), FD (Frequency Domain), and OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometer). . When the intensity of light irradiation on the teeth is limited due to the safety of the living body, the OFDR method is known to be 100 to 1000 times more sensitive than the OCDR method, and several tens of times more sensitive than the FD method. The OFDR method is the best method.
OCDR法及びFD法では、スペクトル幅の広い低コヒーレンス光源を用いるが、OFDR法では、レーザのようにスペクトル幅の狭い干渉性のよい高コヒーレンス光源を用い、発振波長を走査する可変波長光発生装置を用いて、OCT計測を行う(例えば、上記非特許文献4等参照)。このため、波長領域を分けてデータ解析を行うと、分光学的OCTが可能になるという利点もある(例えば、上記特許文献1等参照)。
The OCDR method and the FD method use a low-coherence light source with a wide spectral width, but the OFDR method uses a high-coherence light source with a narrow spectral width and good coherence to scan the oscillation wavelength. Is used to perform OCT measurement (see, for example, Non-Patent Document 4 above). For this reason, if data analysis is performed by dividing the wavelength region, there is an advantage that spectroscopic OCT becomes possible (for example, see
OFDR法の可変波長光発生手段としては、波長を連続的に変化させても、離散的に変化させてもよいが、一つのデータを取得する間に波長が変化しない離散的に波長が切り替え可能な光源の方が、特性の波長依存性が正確に決定できる。 As the variable wavelength light generation means of the OFDR method, the wavelength may be changed continuously or discretely, but the wavelength can be switched discretely without changing the wavelength while acquiring one data. With a simple light source, the wavelength dependency of the characteristics can be accurately determined.
離散的に波長を変化させる可変波長光発生手段において、歯の断層像を得る分解能が少なくとも80μm以上であるためには、波数(2π/波長)の可変範囲の幅が4.7×10-2μm-1以上必要で、光の干渉性に基づく測定可能距離が10mm以上であるためには、出射光の周波数幅が13GHz以下でなければならず、OCT像の重なり合いが生じない距離が10mm以上(片側5mm以上)であるためには、波数間隔が3.1×10-4μm-1以下でなければならず、心拍など人体の動きの影響を少なくするためには、測定が高速でなければならず、波数の切り替え時間が530μs以下が望ましい。 In the variable wavelength light generating means for changing the wavelength in a discrete manner, the width of the variable range of the wave number (2π / wavelength) is 4.7 × 10 −2 so that the resolution for obtaining the tomographic image of the tooth is at least 80 μm or more. Since μm −1 or more is necessary and the measurable distance based on the coherence of light is 10 mm or more, the frequency width of the emitted light must be 13 GHz or less, and the distance at which the overlap of the OCT images does not occur is 10 mm or more. In order to be (5mm or more on one side), the wave number interval must be 3.1 × 10 −4 μm −1 or less, and in order to reduce the influence of human movement such as heartbeat, the measurement must be fast. The wave number switching time is preferably 530 μs or less.
ここで、波長を離散的に走査する場合には、図12(a)に示すように、波長を漸増させてもよいし、図12(b)に示すように、波長を漸減させてもよいし、図12(c)に示すように、波長を不規則に変化させてもよく、端的に言えば、測定時間内に所定の波長をすべて走査すればよい。なお、上記「所定の波長」は、波数でみたときに、等間隔に並んだ波数の集合であると好ましいが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、断層画像の作成の際に演算処理を考慮することにより、波数間隔が一定でない波長の集合の場合であっても適用可能となる。 Here, when the wavelength is scanned discretely, the wavelength may be gradually increased as shown in FIG. 12A, or the wavelength may be gradually decreased as shown in FIG. 12B. However, as shown in FIG. 12C, the wavelength may be changed irregularly. In short, all the predetermined wavelengths may be scanned within the measurement time. The “predetermined wavelength” is preferably a set of wave numbers arranged at equal intervals when viewed in terms of wave numbers, but is not necessarily limited to this. For example, calculation processing is performed when creating a tomographic image. By considering the above, it is possible to apply even in the case of a set of wavelengths whose wave number intervals are not constant.
なお、上記測定を行う光の波長領域としては、1.2〜5.0μmであると、発光手段及び受光手段を容易に入手できるので好ましく、特に、1.3〜1.6μm(よりよくは1.35〜1.6μm、さらには1.4〜1.6μm、最もよくは1.5〜1.6μm)であると、光通信用の発光手段及び受光手段を利用できるので非常に好ましい。言い換えれば、可変波長光発生手段の可変波長領域が、1.2〜5.0μm以内で1.3〜1.6μmよりも広いと好ましく、特に、1.3〜1.6μm以内で1.35〜1.6μmよりも広いと(よりよくは1.35〜1.6μm以内で1.4〜1.6μmよりも広く、さらには1.4〜1.6μm以内で1.5〜1.6μmより広く、最もよくは1.5〜1.6μm以内)非常に好ましい。 The wavelength region of the light for the above measurement is preferably 1.2 to 5.0 μm because the light emitting means and the light receiving means can be easily obtained, and particularly 1.3 to 1.6 μm (better 1.35 to 1.6 [mu] m, further 1.4 to 1.6 [mu] m, and most preferably 1.5 to 1.6 [mu] m) is very preferable because light emitting means and light receiving means for optical communication can be used. In other words, the variable wavelength region of the variable wavelength light generating means is preferably 1.2 to 5.0 μm and wider than 1.3 to 1.6 μm, and particularly 1.3 to 1.6 μm within 1.35. If it is wider than ~ 1.6 μm (more preferably within 1.35 to 1.6 μm, wider than 1.4 to 1.6 μm, and further within 1.4 to 1.6 μm, 1.5 to 1.6 μm) Widely, and most preferably within 1.5-1.6 μm).
歯の検査装置の主な検査対象は、歯の構造が正常であるか、特に虫歯がないか、また、歯の治療をした場合、補填物など治療の状態は正常であるか、歯周病など歯茎の状態は正常であるかなどである。歯科の診断に用いられた場合、口腔内様々な部位のOCT断層像も有用である。本発明は、主に歯を対象としているが、これらにも利用可能である。 The main inspection target of the dental inspection device is whether the tooth structure is normal, especially there are no caries, and if the teeth are treated, whether the treatment status is normal, such as fillings, periodontal disease Whether the state of gums is normal. When used for dental diagnosis, OCT tomographic images of various sites in the oral cavity are also useful. The present invention is mainly intended for teeth, but can also be used for these.
歯の構造は、一番外側がエナメル質、その内側に象牙質、さらに内側に歯髄がある。エナメル質は、構造上強い複屈折を示すことが知られており、円偏光の光を入射しても、散乱光が偏光する。従って、散乱光の偏光特性を測定することによって、エナメル質と象牙質の境界を明瞭に区別できる。また、歯の治療に伴う補填物は複屈折性が弱いので、偏光の測定によってエナメル質との境界が明瞭に判別できる。屈折率が波長に依存するように、この複屈折性は波長依存性を示すため、波長領域を分割して分光学的に解析できるOFDR−OCTが最適である。 The tooth structure is enamel on the outermost side, dentine on the inner side, and pulp on the inner side. Enamel is known to exhibit strong birefringence in structure, and even if circularly polarized light is incident, scattered light is polarized. Therefore, the boundary between enamel and dentin can be clearly distinguished by measuring the polarization characteristics of the scattered light. In addition, since the prosthetic material associated with the dental treatment has low birefringence, the boundary with the enamel can be clearly discriminated by measuring the polarization. Since this birefringence exhibits wavelength dependence so that the refractive index depends on the wavelength, OFDR-OCT that can be analyzed spectroscopically by dividing the wavelength region is optimal.
ここで、本発明に係る歯の光干渉トモグラフィー装置の実施形態(歯の偏光特性を測定する場合の一例)を図10に基づいて説明する。図10は、歯の光干渉トモグラフィー装置の概略構成図である。 Here, an embodiment of an optical interference tomography apparatus for teeth according to the present invention (an example in the case of measuring the polarization characteristics of teeth) will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a tooth optical interference tomography apparatus.
図10に示すように、可変波長光発生手段である可変波長光発生装置11から出射した光は、偏光板200によって直線偏光の方向が決定され、主分割手段であるビームスプリッター201によって試料光路と参照光路に光が分割される。
As shown in FIG. 10, the direction of linearly polarized light emitted from the variable wavelength
試料光路の光(測定光)は、波長板202によって円偏光にされ、可撓性を有するチューブ状の測定光照射手段であるプローブ30を通して、歯100に照射される。歯の内部からの反射光(信号光)は、信号光捕捉手段でもあるプローブ30によって集められ、波長板202を通ってビームスプリッター201に戻る。ビームスプリッター201は、合波手段の役割もする。散乱光は、試料の複屈折の性質に依存し、偏光している。
The light (measurement light) in the sample optical path is circularly polarized by the
ビームスプリッター201で分割され参照光路に入った光(参照光)は、減衰素子203と波長板204を通り、参照ミラー205で反射され、参照光路に戻され、ビームスプリッター201に入射し、信号光と合波される。減衰素子203の減衰率は、信号対雑音比が最適になるように設定される。波長板204は、ビームスプリッター201に戻る光が円偏光になるように設定される。
The light (reference light) that is split by the
偏光分離手段である偏光ビームスプリッター206は、ビームスプリッター201からの光を水平偏光成分と垂直偏光成分に分離する。水平偏光成分は光検出器207で検出され、鉛直偏光成分は光検出器208で検出され、それぞれ増幅されてA/D変換され、演算制御手段である図示しないコンピュータに入力される。
A
検出された水平偏光成分と垂直偏光成分の光の強度と互いの位相関係から、歯の偏光特性が、歯の内部の位置の関数として、コンピュータによって計算される。 From the detected light intensity of the horizontal and vertical polarization components and the phase relationship between them, the polarization characteristics of the teeth are calculated by the computer as a function of the position inside the teeth.
つまり、本実施形態に係る歯の光干渉トモグラフィー装置は、歯の偏光特性を測定する偏光特性測定手段を備え、前記偏光特性測定手段が、可変波長光発生手段(可変波長光発生装置11)から発生した光の偏光方向を制御して測定光と参照光とに分割する主分割手段(ビームスプリッター201)と、主分割手段(ビームスプリッタ201)で分割された測定光を口腔内の歯100に照射する測定光照射手段(プローブ30)と、歯100に照射されて反射した信号光を捕捉する信号光捕捉手段(プローブ30)と、信号光捕捉手段(プローブ30)で捕捉された信号光と主分割手段(ビームスプリッタ201)で分割された参照光とを合波する合波手段(ビームスプリッタ201)と、合波手段(ビームスプリッタ201)で合波された光を2以上の偏光方向成分に分離する偏光分離手段(偏光ビームスプリッター206)と、偏光ビームスプリッター206で分離された偏光方向の異なる光の強度に基づいて、歯100の偏光特性を求める演算制御手段(前記コンピュータ)とを備えているのである。
That is, the optical interference tomography device for teeth according to the present embodiment includes a polarization property measuring unit for measuring the polarization property of the tooth, and the polarization property measuring unit is changed from the variable wavelength light generation unit (variable wavelength light generation device 11). Main splitting means (beam splitter 201) for controlling the polarization direction of the generated light to split it into measurement light and reference light, and the measurement light split by the main splitting means (beam splitter 201) to the
また、本発明に係る歯の光干渉トモグラフィー装置の実施形態(反射強度によって虫歯を検知する場合の一例)を図1,2に基づいて説明する。図1は、歯の光干渉トモグラフィー装置である虫歯検知装置の概略構成図、図2は、図1のプローブの概略構成図である。 Further, an embodiment of a tooth optical interference tomography device according to the present invention (an example in the case where a tooth decay is detected by reflection intensity) will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a caries detection device that is a tooth optical interference tomography device, and FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the probe of FIG.
図1に示すように、例えば、超周期構造回折格子分布反射半導体レーザ光発生装置(例えば非特許文献3等参照)等のような、波長を変化させながら光を出射させる可変波長光発生手段である可変波長光発生装置11の光出射口は、光を二分割(例えば90:10)する方向性結合器等からなる第一のカプラ12の光受入口に光学的に接続している。
As shown in FIG. 1, for example, variable wavelength light generating means for emitting light while changing the wavelength, such as a super-periodic structure diffraction grating distributed reflection semiconductor laser light generating device (see, for example, Non-Patent Document 3). The light output port of a certain variable
前記第一のカプラ12の一方側(分割割合90%側)の光送出口は、光を二分割(例えば70:30)する方向性結合器等からなる主分割手段である第二のカプラ13の光受入口に光学的に接続している。この第二のカプラ13の光受入口には、測定光の照射位置を視認するための可視領域の光を出射する可視光源であるエイミング・ライト・ソース14の光出射口が光学的に接続されている。
The light transmission port on one side (the
前記第二のカプラ13の一方側(分割割合70%側)の光送出口は、オプティカルサーキュレータ15の光受入口に光学的に接続している。この第二のカプラ13の他方側(分割割合30%側)の光送出口は、光を二分割(例えば50:50)する方向性結合器等からなる合波手段である第三のカプラ16の光受入口に光学的に接続している。上記オプティカルサーキュレータ15は、上記第三のカプラ16の光受入口に光学的に接続すると共に、可撓性を有するチューブ状のプローブ30の基端側が接続している。このプローブ30は、図2に示すような構造となっている。
The light transmission port on one side of the second coupler 13 (the division ratio side of 70%) is optically connected to the light reception port of the optical circulator 15. The light transmission port on the other side (
図2に示すように、可撓性を有する樹脂等からなる外筒31は、少なくとも先端側が光透過性を有すると共に、先端側が閉塞している。外筒31の内部には、可撓性を有する樹脂等からなると共に閉塞した先端を有する内筒32が当該外筒31に対して周方向に摺動回転できるように差し込まれて支持されている。内筒32の内部には、可撓性を有する樹脂等からなる充填材33が充填されると共に、光ファイバ34が同軸をなすようにして配設支持されている。この光ファイバ34の基端側は、前記オプティカルサーキュレータ15に光学的に接続している。
As shown in FIG. 2, the
前記内筒32の先端側の周壁の一部には、入出光窓32aが形成されている。内筒32の内部の先端側には、反射ミラー35が配設されている。内筒31の内部の前記光ファイバ34の先端と反射ミラー35との間には、集光結像用のレンズ等の光学系部材36が配設されている。前記外筒31の先端側外部には、目視確認用の観察ミラー37が配設されている。この観察ミラー37は、外筒31の先端側外周面に取り付けられたブラケット38により固定支持されている。また、外筒31の外周面の先端側には、口腔内での支持や移動を容易にする図示しない移動支持具が取り付けられている。
An entrance /
つまり、光ファイバ34の基端側から入射した測定光は、前記光学系部材36で細い平行ビームに成形された後、前記反射ミラー35を介して内筒32の前記入出光窓32aから前記外筒31を透過して出射し、歯100に照射されて反射(後方散乱)した信号光は、当該外筒31を透過して内筒32の入出光窓32aから内筒32の内部に入射し、反射ミラー35及び前記光学系部材36を介して光ファイバ34の先端側から内部に入り、前記オプティカルサーキュレータ15に入射するようになっているのである。なお、図2中、39はローテイトベアリングである。
That is, the measurement light incident from the proximal end side of the
このような本実施形態においては、反射ミラー35、光学系部材36等により連絡手段を構成し、プローブ30、オプティカルサーキュレータ15等により測定光照射手段と信号光捕捉手段とを兼用する照射・捕捉手段を構成している。
In this embodiment, the
図1に示すように、前記第三のカプラ16の一方側及び他方側の光送出口は、光検出機能を有する第一の差動アンプ17の光受入口に光学的に接続している。第一の差動アンプ17のLog出力部は、入力された信号強度の変動を補正演算する第二の差動アンプ18のLog入力部に電気的に接続している。
As shown in FIG. 1, the light transmission ports on one side and the other side of the
他方、前記第一のカプラ12の他方側(分割割合10%側)の光送出口は、光検出器19の光受入口に光学的に接続している。光検出器19の出力部は、Logアンプ20の入力部に電気的に接続している。Logアンプ20のLog出力部は、前記第二の差動アンプ18のLog入力部に電気的に接続している。
On the other hand, the light transmission port on the other side (the
前記第二の差動アンプ18の出力部は、コヒーレント干渉波形、すなわち、後方散乱強度分布を合成する(例えば非特許文献4等参照)演算制御装置21の入力部に図示しないアナログ/デジタル変換機を介して電気的に接続している。演算制御装置21の出力部は、演算結果を表示するモニタやプリンタ等の表示装置22の入力部に電気的に接続している。この演算制御装置21は、入力された情報に基づいて前記可変波長光発生装置11を制御することができるようになっている。
An output unit of the second
このような第一の差動アンプ17、第二の差動アンプ18、光検出器19、Logアンプ20、演算制御装置21、表示装置22等により、本実施形態では演算制御手段を構成している。
In this embodiment, the first
次に、このような本実施形態に係る歯の光干渉トモグラフィー装置である虫歯検知装置を使用する歯の検査方法(虫歯検知方法)を説明する。 Next, a tooth inspection method (caries detection method) using the caries detection device which is such a tooth optical interference tomography device according to this embodiment will be described.
前記プローブ30の先端側を人の口腔内に挿入して、当該プローブ30を口腔内の所定箇所に前記移動支持具を用いて位置決め支持し、前記演算制御装置21を作動させることにより、前記可変波長光発生装置11から目的とする波長領域の測定用の光(波長可変範囲:1500〜1550nm、スペクトル周波数幅:10MHz以下、走査波数(Aスキャン数):400)を発生させると共に、エイミング・ライト・ソース14から視認用の光を出射する。
By inserting the distal end side of the
前記可変波長光発生装置11から発生した光は、第一のカプラ12で二分割(90:10)される。第一のカプラ12で二分割された一方側(90%側)の光は、第二のカプラ13で二分割(70:30)される。また、第一のカプラ12で二分割された他方側(10%側)の光(補正光)は、光検出器19に送られる。
The light generated from the variable
第二のカプラ13で二分割された一方側(70%側)の光(測定光)は、前記視認光と共にオプティカルサーキュレータ15を介して前記プローブ30の光ファイバ34内を通行し、前述したようにしてプローブ30の先端側から出射することにより、歯100に照射される。
The light (measurement light) on one side (70% side) divided into two by the second coupler 13 passes through the
このとき、プローブ30は、可撓性を有すると共に、外筒31に対して内筒32を周方向に摺動回転させることができると共に、上記測定光と併せて視認光が出射されるので、当該測定光を口腔内の目的とする位置の歯100に照射することが容易にできる。
At this time, the
前記歯100に照射されて反射(後方散乱)した光(信号光)は、前述したようにプローブ30内に再び入射し、前記オプティカルサーキュレータ15を介して第三のカプラ16に送られる。また、前記第二のカプラ13で二分割された他方側(30%側)の光(参照光)は、上記第三のカプラ16に送られて上記信号光と合波される。
The light (signal light) irradiated and reflected (backscattered) on the
前記第三のカプラ16で合波された光は、第一の差動アンプ17に送られる。第一の差動アンプ17は、Log出力信号を第二の差動アンプ18に出力する。また、前記光検出器19は、前記第一のカプラ12で二分割された他方側(10%側)の光(補正光)を電気信号に変換して、Logアンプ20に出力する。このLogアンプ20は、Log出力信号を上記第二の差動アンプ18に出力する。第二の差動アンプ18は、入力強度の補正演算を行った後、その情報信号を前記アナログ/デジタル変換機に出力する。
The light combined by the
前記アナログ/デジタル変換機は、入力された情報信号をデジタル信号に変換して、前記演算制御装置21に出力する。演算制御装置21は、入力された各種情報に基づいて演算処理を行い、コヒーレンス干渉波形、すなわち、前記信号光の強度を求め、当該強度等に基づいて当該歯100の特性を求め(詳細は後述する)、その結果を表示装置22に表示させる。
The analog / digital converter converts the input information signal into a digital signal and outputs the digital signal to the arithmetic and
このようにして求められた歯100の特性データにより、初期虫歯等の検知を可能とする歯の特性を求めることができる。
Based on the characteristic data of the
ここで、上述したような歯の光干渉トモグラフィー装置を用いた歯の測定結果の一例を図11に示す。この測定では、図1における、光検出器19、Logアンプ20、第二の差動アンプ18を使用せず、第一の差動アンプ17を演算制御装置21に直接接続して当該差動アンプ17の比例出力を直接入力するようにした。可変波長光発生装置11には、波長範囲が1530〜1570nm、波長間隔が0.1nm、波長走査速度が0.1nm/10μsの超周期構造回折格子分布反射半導体レーザ光発生装置を用いた。
Here, FIG. 11 shows an example of a tooth measurement result using the above-described tooth optical interference tomography apparatus. In this measurement, the first
試料には、抜歯した犬歯を用いた。その写真を図11(P)に示す。図11において、(A)〜(E)は、写真(P)に示した線(a)〜(e)に沿ったそれぞれの断面のOCT画像である。 The extracted canine teeth were used as samples. The photograph is shown in FIG. In FIG. 11, (A) to (E) are OCT images of respective cross sections along the lines (a) to (e) shown in the photograph (P).
(A)に示すように、侵達度は光学距離で4mmほどである。先端部分に行くに従って、表面のエナメル質の中の象牙質が観測可能になる。(B)では、エナメル質が厚く、象牙質がはっきりとは見えていない。(C)、(D)、(E)と先端に行くに従って、エナメル質の内部の象牙質がよりはっきりと見えるようになる。また、(D)、(E)では、内部の象牙質の信号の方が、表面のエナメル質の信号より強く観測されている。これは、象牙質の方が、エナメル質より散乱能が強いことに対応している。 As shown in (A), the penetration degree is about 4 mm in optical distance. As you go to the tip, the dentin in the surface enamel becomes observable. In (B), the enamel is thick and the dentin is not clearly visible. As you go to (C), (D), (E) and the tip, the dentin inside the enamel becomes more clearly visible. In (D) and (E), the signal of the internal dentin is observed more strongly than the signal of the enamel on the surface. This corresponds to the fact that the dentin is more scattering than the enamel.
(C)と(D)では、真ん中ほどに、エナメル質の途中から、象牙質を貫く亀裂が観測されている。この亀裂は、表面では観測されていない。このように、OCTによれば、表面に現れない内部の病変を観測することができる。 In (C) and (D), a crack penetrating through the dentin is observed from the middle of the enamel as the middle. This crack is not observed on the surface. Thus, according to OCT, it is possible to observe an internal lesion that does not appear on the surface.
ここで、この原理等をより詳細に説明する。 Here, this principle and the like will be described in more detail.
歯100の最外部を形成するエナメル質は、ヒトの体内で最も硬い部分であり、重量比で、無機質約96%、有機質約2%、水約2%の割合の組成物である。この無機質部分が、虫歯菌の生成する酸で繰り返し侵されることにより(脱灰)、最終的に虫歯となる。初期虫歯は、図3に示すように、歯100のエナメル質101の表面101aに生成せずに、エナメル質101の内部101bに小さなピット102として形成される。
The enamel that forms the outermost part of the
健康な歯100のエナメル質101は、その組成物中の水分含有量が上述のように非常に少ないが、上述したようなピット102を有する初期虫歯の歯100のエナメル質101は、口腔内の唾液が上記ピット102内に侵入するため、単位体積当たりの水分量が多くなる。
The
そこで、本実施形態においては、歯100のエナメル質101の組成物と水分との単位体積当たりの存在量の割合を求めることにより、初期虫歯等の歯100の特性を容易に検知できるようにしたのである。
Therefore, in the present embodiment, by determining the ratio of the abundance per unit volume of the composition of the
ところで、OCT法のなかでも可変波長光を光源としたオプティカル・フリーケンシー・ドメイン・リフレクトメトリ法(以下「OFDR法」という。)を適用したOFDR−OCT装置は、生体の断層像の撮影と同時に、生体の光吸収係数の波長依存性も測定することができ、例えば、生体の酸素飽和度の測定に利用することが提案されている(例えば特許文献1等参照)。 By the way, among the OCT methods, an OFDR-OCT apparatus to which an optical frequency domain reflectometry method (hereinafter referred to as “OFDR method”) using a variable wavelength light as a light source is used to capture a tomographic image of a living body. At the same time, the wavelength dependence of the light absorption coefficient of the living body can be measured, and for example, it has been proposed to use it for measuring the oxygen saturation of the living body (for example, see Patent Document 1).
このような従来のOFDR−OCT装置においては、骨を含むほとんどの人体組織で数十%もの高い割合を占めている水が赤外光を強く吸収してしまうことから、測定に近赤外光を使用することを避けて、生体の窓といわれている650〜1100nmの波長領域の光を利用するようにしている。 In such a conventional OFDR-OCT apparatus, water that occupies a high proportion of several tens of percent in most human tissues including bones absorbs infrared light strongly, so that near infrared light is used for measurement. Is used, and light in a wavelength region of 650 to 1100 nm, which is called a living body window, is used.
これに対し、本実施形態においては、水をほとんど含まないという歯100のエナメル質101の他の人体組織と大きく異なる特性に着目し、歯100のエナメル質101の組成物に対して吸収されることなく水に対して吸収されるという、従来のOFDR−OCT装置で利用されることのなかった1.2μm以上の波長領域の光を使用することにより、歯100のエナメル質101の組成物と水分との単位体積当たりの存在量の割合から当該歯100の特性(ピット102の存在の有無及びその位置)を求めるようにしたのである。
On the other hand, in this embodiment, paying attention to the characteristics greatly different from other human tissues of the
次に、歯100のエナメル質101の信号光強度分布及び光吸収係数分布並びに単位体積当たりの組成物と水分との存在量分布の算出方法をより具体的に説明する。
Next, the calculation method of the signal light intensity distribution and the light absorption coefficient distribution of the
図4は、微小領域における光吸収係数の測定原理の説明図である。図4において、中心波長をλとする一定範囲波長の測定光Lmが、歯100の厚さ方向(奥行き方向)としてZ軸方向に沿って入射した場合を考える。OCT法では、入射した測定光Lmの光軸に沿って反射(後方散乱)した信号光LsをZ軸方向で十数μmの分解能で測定することができる。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the measurement principle of the light absorption coefficient in a minute region. In FIG. 4, a case is considered where measurement light Lm having a wavelength in a certain range having a center wavelength λ is incident along the Z-axis direction as the thickness direction (depth direction) of the
図4に示すように、入射した測定光Lmの光軸(Z軸)に沿ったある位置をz1とし、当該位置z1からわずかな距離Δz(例えば数十μm程度)だけ異なる位置をz2とする。なお、上記位置z1,z2においては、光の散乱能が等しく、光の減衰が光の吸収のみによって生じるものとする。 As shown in FIG. 4, a certain position along the optical axis (Z axis) of the incident measurement light Lm is defined as z1, and a position different from the position z1 by a slight distance Δz (for example, about several tens of μm) is defined as z2. . It should be noted that at the positions z1 and z2, the light scattering ability is equal, and light attenuation is caused only by light absorption.
前記位置z1,z2間の微小な領域の光吸収係数を、位置z1及び測定光Lmの中心波長λの関数としてμ(z1,λ)で表わすと、位置z1で反射(後方散乱)した信号光Ls1の強度I(z1)(OCT信号の強度)と、位置z2で反射(後方散乱)した信号光Ls2の強度I(z2)との比は、光吸収のベア・ランバートの法則により、下記の式(1)で表わすことができる。 When the light absorption coefficient of a minute region between the positions z1 and z2 is expressed by μ (z1, λ) as a function of the position z1 and the center wavelength λ of the measurement light Lm, the signal light reflected (backscattered) at the position z1. The ratio between the intensity I (z1) of Ls1 (the intensity of the OCT signal) and the intensity I (z2) of the signal light Ls2 reflected (backscattered) at the position z2 is expressed as follows according to Bare-Lambert law of light absorption: It can be expressed by equation (1).
I(z1)/I(z2)=exp[2・μ(z1,λ)・Δz] (1) I (z1) / I (z2) = exp [2 · μ (z1, λ) · Δz] (1)
なお、上記式(1)における係数2は、入射する測定光Lm及び反射(後方散乱)する信号光Ls1,Ls2の両者を考慮するための値である。この式(1)に基づき、中心波長λの測定光Lmにおける位置z1,z2間の光吸収係数μ(z1,λ)が求められる。
The
ここで、歯100のエナメル質101の組成物と水分との単位体積当たりの存在割合の分布を求めるにあたって、異なる複数の波長領域での光吸収係数の分布を計測すると非常に好ましい。測定光Lmの中心波長λの種類は、多いほど、決定できるパラメータの数が増加し、精度を上げることができる。しかしながら、本実施形態では、説明の便宜上、異なる二種類の中心波長λ1,λ2の各波長領域の測定光Lm1,Lm2を用いている。
Here, when obtaining the distribution of the ratio of the composition of the
具体的には、前記可変波長光発生装置11から発生可能な測定光Lmの可変波長領域(1500〜1550nm)を第一の波長領域(1500〜1525nm)と第二の波長領域(1525〜1550nm)との二つに分割して、図5に示すように、歯100の厚さ方向(奥行き方向)の位置における、第一の波長領域の測定光Lm1に対する信号光Ls1の強度(実線)と、第二の波長領域の測定光Lm2に対する信号光Ls2の強度(点線)とをそれぞれ求めるようにしたのである。
Specifically, the variable wavelength region (1500 to 1550 nm) of the measurement light Lm that can be generated from the variable
そして、信号光Ls1,Ls2の強度の分布から各波長領域毎の光吸収係数の分布をそれぞれ求め、当該光吸収係数の分布から、歯100のエナメル質101の組成物と水分との単位体積当たりの存在量の割合の分布を求めるのである。
Then, the distribution of the light absorption coefficient for each wavelength region is obtained from the distribution of the intensity of the signal light Ls1, Ls2, and from the distribution of the light absorption coefficient, per unit volume of the composition of the
つまり、従来のOFDR−OCT装置では、前記可変波長光発生装置11から発生可能な可変波長領域全体にわたって測定光Lmを出射して、当該測定光Lmの反射光(後方散乱光)の強度から光吸収係数を求めていたが、本実施形態では、前記可変波長光発生装置11から発生可能な可変波長領域を互いに異なる中心波長λ1,λ2・・・の波長領域の複数の測定光Lm1,Lm2・・・をそれぞれ出射して、これら各測定光Lm1,Lm2・・・の各反射光(後方散乱光)である信号光の強度から光吸収係数をそれぞれ求めるようにしたのである。
That is, in the conventional OFDR-OCT apparatus, the measurement light Lm is emitted over the entire variable wavelength region that can be generated from the variable wavelength
図6は、エナメル質101及び水の測定光Lmの中心波長λと光吸収係数との関係を表わすグラフである。図6からわかるように、エナメル質101と水とでは、光吸収係数が波長で大きく異なっている。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the center wavelength λ of the
例えば、第一の測定光Lm1の中心波長λ1を1512.5nmとし、第二の測定光Lm2の中心波長λ2を1537.5nmとすると、エナメル質101の光吸収係数は、第一、第二の測定光Lm1,Lm2においてほぼ同じ値(3.8cm-1)を示すのに対し、水の光吸収係数は、第一の測定光Lm1(中心波長λ1)の方が第二の測定光Lm2(中心波長λ2)よりも大きい値を示すようになる。
For example, if the center wavelength λ1 of the first measurement light Lm1 is 1512.5 nm and the center wavelength λ2 of the second measurement light Lm2 is 1537.5 nm, the light absorption coefficient of the
ここで、前記位置z1におけるエナメル質101の組成物の存在割合(濃度)をCE(z1)とし、前記位置Z1における水分の存在割合(濃度)をCH2O(z1)とすると、これらの値は、以下の式(2),(3)から求めることができる。
Here, assuming that the existing ratio (concentration) of the composition of the
μH2O(λ1)・CH2O(z1)+μE(λ1)・CE(z1)=μ(z1,λ1) (2)
μH2O(λ2)・CH2O(z1)+μE(λ2)・CE(z1)=μ(z1,λ2) (3)
μ H2O (λ1) · C H2O (z1) + μ E (λ1) · C E (z1) = μ (z1, λ1) (2)
μ H2O (λ2) · C H2O (z1) + μ E (λ2) · C E (z1) = μ (z1, λ2) (3)
なお、μH2O(λ1)は、中心波長λ1の第一の測定光Lm1の水の光吸収係数、μH2O(λ2)は、中心波長λ2の第二の測定光Lm2の水の光吸収係数、μE(λ1)は、中心波長λ1の第一の測定光Lm1のエナメル質組成物の光吸収係数、μE(λ2)は、中心波長λ2の第二の測定光Lm2のエナメル質組成物の光吸収係数であり、これら値は、図6のグラフから求めることができる。 Μ H2O (λ1) is a light absorption coefficient of water of the first measurement light Lm1 having the center wavelength λ1, μ H2O (λ2) is a light absorption coefficient of water of the second measurement light Lm2 having the center wavelength λ2, μ E (λ1) is the light absorption coefficient of the enamel composition of the first measuring light Lm1 having the center wavelength λ1, and μ E (λ2) is the enamel composition of the second measuring light Lm2 having the center wavelength λ2. These are light absorption coefficients, and these values can be obtained from the graph of FIG.
また、μ(z1,λ1)は、位置z1における中心波長λ1の第一の測定光Lm1の光吸収係数、μ(z1,λ2)は、位置z1における中心波長λ2の第二の測定光Lm2の光吸収係数であり、これら値は、実測によって求められる。 Further, μ (z1, λ1) is an optical absorption coefficient of the first measurement light Lm1 having the center wavelength λ1 at the position z1, and μ (z1, λ2) is the second measurement light Lm2 having the center wavelength λ2 at the position z1. It is a light absorption coefficient, and these values are obtained by actual measurement.
このようにして位置z1と当該位置z1からΔz(数十μm程度)離れた位置z2との間の狭い領域内での中心波長λ1,λ2の第一、第二の測定光Lm1,Lm2の反射光(後方散乱光)の強度、すなわち、信号光Ls1,Ls2の強度に基づいて、当該間での各光吸収係数をそれぞれ求めることにより、エナメル質101の組成物と水分との単位体積当たりの存在量の割合を求めることができる。
In this way, reflection of the first and second measurement lights Lm1 and Lm2 having the center wavelengths λ1 and λ2 within a narrow region between the position z1 and the position z2 that is Δz (about several tens of μm) away from the position z1. Based on the intensity of light (backscattered light), that is, the intensity of the signal lights Ls1 and Ls2, the respective light absorption coefficients between them are obtained, thereby obtaining the composition of the
このとき、前述したように、健康な歯100のエナメル質101の組成物中にわずかではあるが水分が存在しているため(約2%)、上述したようにして求められる水分の存在量の割合は、エナメル質101の組成物中の水分を含んだ測定結果となるものの、実質的な問題を生じることはない。
At this time, as described above, since a small amount of water is present in the composition of the
上述したようにして求めた歯100の厚さ方向(奥行き方向)でのエナメル質101の組成物と水分との存在量の割合の分布を図7に示す。図7からわかるように、水分の存在量の割合が高い位置(約1)がピット102の存在する箇所となる。なお、歯100やピット102の表面(界面)部分Sにおいては、フレネル反射によって生じる強い反射光(後方散乱光)が生じてしまい、光吸収係数の測定誤差が非常に大きくなってしまうため、上記割合の算出を省略している。
FIG. 7 shows the distribution of the ratio of the abundance of the composition of the
このように、本実施形態においては、水分の少ない歯100のエナメル質101に形成されるピット102の内部に唾液等のような水を主成分とする液体が浸入するという現象に着目して、上述したようにしてエナメル質101の組成物と水分との存在量の割合の分布を求めることにより、上記ピット102の存在の有無及びその大きさや位置等の歯100の特性を明瞭に把握するようにしたのである。
Thus, in the present embodiment, paying attention to the phenomenon that a liquid mainly composed of water such as saliva enters the
そして、入射する測定光Lmを走査(Bスキャン)して、二次元測定を行う、具体的には、例えば、前記プローブ30の外筒31に対して内筒32を周方向に摺動回転させて測定光Lmを歯100の表面に沿って直線的に移動させることにより、ピット102の断層像を得ることができ、さらに、走査位置を少しずつずらしながら二次元計測を繰り返し、得られた二次元像を並列表示することにより、ピット102の三次元的(立体的)な断層像を得ることができ、ピット102の存在の有無及びその大きさや位置等の歯100の特性をより明瞭に把握することができる。
Then, the incident measurement light Lm is scanned (B scan) to perform two-dimensional measurement. Specifically, for example, the
なお、歯100のエナメル質101にピット102が形成される前の脱灰進行状態の場合においても、エナメル質101から無機質成分が溶け出して、エナメル質101に微視的な間隙が生成することにより、当該間隙に水が分子レベルで浸入して、エナメル質101の単位体積当たりの水分量が高くなるため、上述の場合と同様に上記間隙を検知することができる。
Even in the decalcification progress state before the
また、1.2μmよりも短い波長領域の測定光を用いることにより、歯100のエナメル質101の単位体積当たりの水分量を求めることなく当該エナメル質101の組成物の単位体積当たりの存在量のみに基づいて当該歯100の特性を求めることも可能ではあるが、正確性に難点があり、あまり好ましくはない。
Further, by using measurement light in a wavelength region shorter than 1.2 μm, only the abundance per unit volume of the composition of the
また、図7に示したような、歯100のエナメル質101の組成物と水分との単位体積当たりの存在量の割合を求めずに、図5に示したような、各波長領域毎の信号光の強度に基づいて歯100の特性を直接的に求めることにより、簡易に検知を行うことも可能である。このような簡易な検知の場合には、上述したBスキャンを行って、断層像化したデータを得ることが特に望まれる。
Further, without obtaining the ratio of the abundance per unit volume of the composition of
ところで、眼の網膜等の断層撮影を行う際に、測定光の強度が強いと眼等に悪影響を与える可能性があることから、通常のOCT法であるオプティカル・コヒーレンス・ドメイン・リフレクトメトリ法(以下「OCDR法」という。)を適用するOCDR−OCT装置においては、光ファイバとの光結合効率が悪く、測定光として十分な強度を得ることができずに、S/N比の改善を図ることが難しい発光ダイオードの一種であるスーパ・ルミネッセント・ダイオード(以下「SLD」という。)を光源に用いていても、問題を生じることはない。 By the way, when performing tomographic imaging of the retina of the eye, if the intensity of the measurement light is strong, the eye may be adversely affected. Therefore, the optical coherence domain reflectometry method, which is a normal OCT method ( Hereinafter, in the OCDR-OCT apparatus to which the “OCDR method” is applied, the optical coupling efficiency with the optical fiber is poor and sufficient intensity as the measurement light cannot be obtained, and the S / N ratio is improved. Even if a super luminescent diode (hereinafter referred to as “SLD”), which is a kind of light emitting diode, is difficult to produce, no problem occurs.
これに対し、本実施形態では、光ファイバ31との光結合効率が高く、十分な強度の測定光によりS/N比を向上できる半導体レーザ光発生装置である可変波長光発生装置11を測定光の光源に用いていることから、可変波長光発生装置11から発生させる測定光の強度を十分に高めてS/N比を向上させれば、異なる複数の波長領域の測定光を用いなくても、初期虫歯等の歯100の特性を検知すること自体は可能となる。しかしながら、先に説明したような異なる複数の波長領域の測定光を用いない場合には、正確性に難点を生じてしまい、あまり好ましくはない。
On the other hand, in the present embodiment, the variable
また、本実施形態においては、歯100による測定光Lmの吸収が支配的であり、反射散乱による信号光Lsの減衰が無視でき、後方散乱能がすべての位置で同一であると仮定し、互いに異なる二種類の中心波長λ1,λ2の波長領域の測定光Lm1,Lm2を用いて歯100の特性を求める場合について説明したが、例えば、歯100のエナメル質101の組成物及び水分以外の因子による測定光Lmの吸収量が無視できない場合や、反射散乱による信号光Lsの減衰が無視できない場合や、後方散乱能が位置によって異なってしまう場合等においては、互いに異なる中心波長λの波長領域の測定光Lmの数を適宜増加させることにより、決定すべきパラメータの増加数に対応すればよい。
In the present embodiment, it is assumed that the absorption of the measurement light Lm by the
また、本実施形態では、オプティカルサーキュレータ15を利用してマッハツェンダ型の干渉計を構築することにより、第二のカプラ13と第三のカプラ16とを用いるようにしたが、マイケルソン型の干渉計を構築することにより、主分割手段と合波手段とを兼用した主分割・合波手段を適用することも可能である。
In the present embodiment, the second coupler 13 and the
また、本実施形態では、オプティカルサーキュレータ15を適用したが、例えば、オプティカルサーキュレータ15が可視光で動作しない場合には、当該オプティカルサーキュレータ15に代えて、例えば、図8に示すように、カプラ25を適用することも可能である。
In the present embodiment, the optical circulator 15 is applied. However, for example, when the optical circulator 15 does not operate with visible light, a
また、本実施形態では、オプティカルサーキュレータ15を用いることにより、測定光の出射案内と信号光の入射案内とを同一の光ファイバ34で実施できるプローブ30を適用するようにしたが、例えば、オプティカルサーキュレータ15を省略して、図9に示すように、内筒36の内部に二本の光ファイバ34A,34Bを並列に設けて、一方の光ファイバ34Aで測定光の出射を案内し、他方の光ファイバ34Bで信号光の入射を案内するようにしたプローブ30を適用することも可能である。
In the present embodiment, the optical circulator 15 is used to apply the
なお、このとき、光ファイバ34A,34Bは、互いの光軸がわずかにずれて、出射する測定光と入射する信号光との光軸に差異を生じてしまうものの、実用上、特に不都合を生じることはない。
At this time, the
本発明に係る歯の光干渉トモグラフィー装置は、これを生産することによって精密機器等の製造業において利用されるものである。 The tooth optical interference tomography device according to the present invention is used in the manufacturing industry of precision instruments and the like by producing the device.
11 可変波長光発生装置
12 第一のカプラ
13 第二のカプラ
14 エイミング・ライト・ソース
15 オプティカルサーキュレータ
16 第三のカプラ
17 第一の差動アンプ
18 第二の差動アンプ
19 光検出器
20 Logアンプ
21 演算制御装置
22 表示装置
25 カプラ
30 プローブ
31 外筒
32 内筒
33 充填材
34,34A,34B 光ファイバ
35 反射ミラー
36 光学系部材
37 観察ミラー
38 ブラケット
39 ローテイトベアリング
100 歯
101 エナメル質
101a 表面
101b 内部
102 ピット
200 偏光板
201 ビームスプリッター
202 波長板
203 減衰素子
204 波長板
205 参照ミラー
206 偏光ビームスプリッター
207 光検出器
208 光検出器
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記可変波長光発生手段から発生した光を測定光と参照光とに分割する主分割手段と、
前記主分割手段で分割された前記測定光を口腔内の歯に照射する測定光照射手段と、
前記歯に照射されて反射した信号光を捕捉する信号光捕捉手段と、
前記信号光捕捉手段で捕捉された前記信号光と前記主分割手段で分割された前記参照光とを合波する合波手段と、
前記可変波長光発生装置から発生させる前記光を目的とする波長領域となるように、入力された情報に基づいて当該可変波長光発生装置を制御すると共に、当該可変波長光発生装置から発生させた光の波長領域及び前記合波手段で合波された光の強度に基づいて、前記歯の特性を求める演算制御手段と
を備えていることを特徴とする歯の光干渉トモグラフィー装置。 Variable wavelength light generating means using a variable wavelength light generating device that emits light while switching wavelengths discretely as a light source ;
Main splitting means for splitting light generated from the variable wavelength light generating means into measurement light and reference light;
Measuring light irradiation means for irradiating the teeth in the oral cavity with the measuring light divided by the main dividing means,
Signal light capturing means for capturing the signal light irradiated and reflected on the teeth;
A multiplexing unit that combines the signal light captured by the signal light capturing unit and the reference light divided by the main dividing unit;
As the wavelength region of interest of said light to be generated from the variable-wavelength light generating apparatus, to control the variable wavelength light generating apparatus based on the input information was generated from the variable-wavelength light generating apparatus based on the intensity of the light multiplexed by a wavelength region and the multiplexing means of light, the optical interference tomographic apparatus teeth, characterized in Tei Rukoto and an arithmetic control means for determining the characteristics of the tooth.
歯の偏光特性を測定する偏光特性測定手段と
を備え、
前記偏光特性測定手段が、
前記可変波長光発生手段から発生した光の偏光方向を制御して測定光と参照光とに分割する主分割手段と、
前記主分割手段で分割された前記測定光を口腔内の歯に照射する測定光照射手段と、
前記歯に照射されて反射した信号光を捕捉する信号光捕捉手段と、
前記信号光捕捉手段で捕捉された前記信号光を2以上の偏光方向成分に分離し、前記主分割手段で分割された前記参照光とそれぞれ合波する合波手段と、
合波された偏光方向の異なる信号の光の強度に基づいて、前記歯の偏光特性を求めると共に、入力された情報に基づいて前記可変波長光発生装置を制御する演算制御手段と
を備えていることを特徴とする歯の光干渉トモグラフィー装置。 Variable wavelength light generating means using a variable wavelength light generating device that emits light while switching wavelengths discretely as a light source;
Polarization measuring means for measuring the polarization characteristics of teeth; and
With
The polarization characteristic measuring means is
Main splitting means for controlling the polarization direction of the light generated from the variable wavelength light generating means and splitting it into measurement light and reference light;
Measuring light irradiation means for irradiating the teeth in the oral cavity with the measuring light divided by the main dividing means,
Signal light capturing means for capturing the signal light irradiated and reflected on the teeth;
Multiplexing means for separating the signal light captured by the signal light capturing means into two or more polarization direction components, and respectively combining the reference light divided by the main dividing means;
And a calculation control means for determining the polarization characteristics of the teeth based on the intensity of the light of the combined signals having different polarization directions, and controlling the variable wavelength light generator based on the input information . An optical interference tomography device for teeth.
歯の偏光特性を測定する偏光特性測定手段と
を備え、
前記偏光特性測定手段が、
前記可変波長光発生手段から発生した光を測定光と参照光とに分割する主分割手段と、
前記主分割手段で分割された前記測定光を口腔内の歯に照射する測定光照射手段と、
前記歯に照射されて反射した信号光を捕捉する信号光捕捉手段と、
前記信号光捕捉手段で捕捉された前記信号光と前記主分割手段で分割された前記参照光とを合波する合波手段と、
前記可変波長光発生装置から発生させる前記光を目的とする波長領域となるように、入力された情報に基づいて当該可変波長光発生装置を制御すると共に、当該可変波長光発生装置から発生させた光の波長領域及び前記合波手段で合波された光の強度に基づいて、前記歯の特性を求める演算制御手段と
を備えていることを特徴とする歯の光干渉トモグラフィー装置。 Variable wavelength light generating means using a variable wavelength light generating device that emits light while switching wavelengths discretely as a light source;
Polarization measuring means for measuring the polarization characteristics of teeth; and
With
The polarization characteristic measuring means is
Main splitting means for splitting light generated from the variable wavelength light generating means into measurement light and reference light;
Measuring light irradiation means for irradiating the teeth in the oral cavity with the measuring light divided by the main dividing means,
Signal light capturing means for capturing the signal light irradiated and reflected on the teeth;
A multiplexing unit that combines the signal light captured by the signal light capturing unit and the reference light divided by the main dividing unit;
As the wavelength region of interest of said light to be generated from the variable-wavelength light generating apparatus, to control the variable wavelength light generating apparatus based on the input information was generated from the variable-wavelength light generating apparatus based on the intensity of the light multiplexed by a wavelength region and the multiplexing means of light, the optical interference tomographic apparatus teeth, characterized in Tei Rukoto and an arithmetic control means for determining the characteristics of the tooth.
前記演算制御手段が、異なる複数の波長領域の光を発生させるように前記可変波長光発生装置を制御すると共に、前記合波手段で合波された前記光の強度を各波長領域ごとに求めることにより前記歯の特性を求めるものであるThe arithmetic and control unit controls the variable wavelength light generator so as to generate light of a plurality of different wavelength regions, and obtains the intensity of the light combined by the multiplexing unit for each wavelength region. To obtain the characteristics of the teeth
ことを特徴とする歯の光干渉トモグラフィー装置。An optical interference tomography device for teeth.
前記演算制御手段が、出射光を目的とする波長可変範囲及び走査波数の所定の波長で測定時間内にすべて走査させるように、前記可変波長光発生装置を制御するものであるThe arithmetic and control means controls the variable wavelength light generator so that all of the emitted light is scanned within a measurement time within a predetermined wavelength variable range and scanning wavenumber of the target wavelength.
ことを特徴とする歯の光干渉トモグラフィー装置。An optical interference tomography device for teeth.
前記演算制御手段が、The arithmetic control means is
前記可変波長光発生装置から発生可能な測定光の可変波長領域を第一の波長領域と第二の波長領域との二つに分割し、歯の厚さ方向における、前記第一の波長領域の測定光に対する信号光Ls1の強度と、前記第二の波長領域の測定光に対する信号光Ls2の強度とをそれぞれ求め、Dividing the variable wavelength region of the measurement light that can be generated from the variable wavelength light generator into two, a first wavelength region and a second wavelength region, in the tooth thickness direction, the first wavelength region Obtaining the intensity of the signal light Ls1 with respect to the measurement light and the intensity of the signal light Ls2 with respect to the measurement light in the second wavelength region,
前記信号光Ls1,Ls2の強度の分布から各波長領域毎の光吸収係数の分布をそれぞれ求め、Obtain the distribution of the light absorption coefficient for each wavelength region from the intensity distribution of the signal light Ls1, Ls2, respectively.
上記光吸収係数の分布から、歯のエナメル質の組成物と水分との単位体積当たりの存在量の割合の分布を求めることにより、From the distribution of the light absorption coefficient, by obtaining the distribution of the ratio of the abundance per unit volume of the tooth enamel composition and moisture,
前記歯の特性を求めるものであるThe characteristic of the tooth is obtained
ことを特徴とする歯の光干渉トモグラフィー装置。An optical interference tomography device for teeth.
前記演算制御手段が、
前記合波手段で合波された前記光の強度を各波長領域ごとに求めることにより前記歯の光吸収係数を求め、
前記光吸収係数に基づいて、前記歯のエナメル質又は象牙質の組成物の単位体積当たりの存在量又は前記歯のエナメル質又は象牙質の単位体積当たりの水分の存在量を求めることにより、
前記歯の特性を求めるものである
ことを特徴とする歯の光干渉トモグラフィー装置。 In any one of Claims 1-5 ,
The arithmetic control means is
By determining the intensity of the light combined by the combining means for each wavelength region, the light absorption coefficient of the tooth is determined,
Based on the optical absorption coefficient, by determining the abundance of water per unit volume of the abundance, or enamel or dentin of the tooth per unit volume of the enamel or dentin of the composition of the tooth,
A tooth optical interference tomography apparatus characterized in that the characteristic of the tooth is obtained.
前記出射光の波数の可変範囲の幅を4.7×10 -2 μm -1 以上、当該出射光の周波数幅を13GHz以下、当該出射光の周波数間隔を15GHz以下、当該出射光の波数間隔を3.1×10 -4 μm -1 以下、当該出射光の時間間隔を530μs以下として測定時間内で当該出射光の波数をすべて離散的に切り替えるように、前記演算制御手段が前記可変波長光発生装置を制御するものである
ことを特徴とする歯の光干渉トモグラフィー装置。 In any one of Claims 1-7 ,
The width of the variable range of the wave number of the emitted light is 4.7 × 10 −2 μm −1 or more, the frequency width of the emitted light is 13 GHz or less, the frequency interval of the emitted light is 15 GHz or less, and the wave number interval of the emitted light is 3.1 × 10 −4 μm −1 or less, the time interval of the emitted light is set to 530 μs or less, and the arithmetic control unit generates the variable wavelength light so that all wave numbers of the emitted light are switched discretely within the measurement time. Tooth optical interference tomography device characterized in that the device is controlled .
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