CN101588750B - 用于早期检测龋齿的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于处理图像以检测龋齿的方法，包括以下步骤。将入射光(16)导向牙齿(20)，其中所述光激发来自牙齿的荧光发射。从所述荧光分量(19)获得荧光图像(35)，从来自牙齿的背散射光(18)获得反射图像(34)。对反射图像应用彩色平衡操作。从彩色平衡的反射图像(82)中去除镜面反射分量，以给出背散射反射图像(50)。将荧光图像与镜面反射图像对齐。组合荧光图像(115)和所述背散射反射图像以提供诊断图像(52)。

Description

用于早期检测龋齿的系统

技术领域

本发明总体涉及用于牙齿成像的方法和装置，并且尤其涉及采用荧光和散射光进行龋齿早期检测的改进的方法。

背景技术

尽管在检测、治疗及预防技术上有改进，但是龋齿仍然是一种影响所有年龄层人的流行疾病。若未得到适当和及时的治疗，龋齿可能导致牙齿的永久损害甚至导致牙齿的缺损。

传统的龋齿检测方法包括肉眼检测和触觉探查，其采用尖锐的牙科探测器具，常辅之以射线照相(X射线)成像。利用上述方法的检测可能有一定程度的主观成份，有众多因素使准确性发生变化，这些因素包括从业医生的专业技术、感染部位的位置、感染程度、观察条件、X射线设备和处理的精度以及其它因素等等。而且常规的检测技术伴有危险，包括触觉探查方法下损害脆弱的牙齿和使感染扩散的风险以及暴露在X射线辐射下的风险。待到龋齿在肉眼和触觉检测之下较为明显时，该病症通常已处于晚期阶段，因而需要补牙，并且如不及时治疗，就有可能导致掉牙。

出于改进龋齿检测方法的需要，对不采用X射线的成像技术进行改进业已受到相当大的关注。一种已经商业化的方法是采用荧光，这种荧光是采用高强度蓝光照射牙齿时引起的。这种技术被称为定量光感应荧光分析(QLF)，其基于的工作原理是，在某些波长光的激发下，健全、健康的牙釉质所产生的荧光强度高于因龋齿感染的损害而造成矿物质去除的釉质所产生的荧光强度。矿物质流失和蓝光激发下荧光的损耗之间的强相关性被用于识别以及评估牙齿的龋齿区域。对于红光激发，业已发现存在不同的关系：对于光谱的某一区域，龋齿区域中的细菌和细菌副产物与健康区域相比，光的吸收和荧光的产生更强。

在提出的龋齿光学检测解决方案中，以下是其中的几种：

美国专利No.4,515,476(Ingmar)披露了一种利用激光提供激发能量的方法，激光能量在其他一些定位龋齿区域的波长处产生荧光。

美国专利No.6,231,338(de Josselin de Jong等人)披露了一种采用荧光检测来识别龋齿的成像装置。

美国专利申请公报No.2004/0240716(de Josselin de Jong等人)披露了改进的图像分析方法，用于从发出荧光的组织获得的图像。

美国专利No.4479499(Alfano)描述了一种方法，该方法根据牙齿结构的半透明性质，利用透视法来检测龋齿。

在利用荧光特性进行牙齿成像的商用产品中，有来自荷兰阿姆斯特丹检测仪研究系统公司(Inspektor Research Systems BV)的QLF临床系统。来自伊利诺斯州的苏黎世湖的KaVo牙科公司的诊断激光龋齿检测辅助设备(Diagnodent Laser Caries Detection Aid)利用不同的方法，通过检测红光照射下细菌副产物的荧光强度来检测龋齿的活动性。

美国专利申请公报2004/0202356(Stookey等人)描述了对荧光的光谱变化进行数学处理从而以更高的准确性来检测不同阶段龋齿的方法。’2356Stookey等人的公开内容承认在利用光谱的荧光测量进行早期检测时存在困难，由此描述了增强所获得的光谱值的方法，其对光谱数据作变换，该光谱数据适合于获取荧光图像的相机的光谱响应。

尽管所披露的方法和装置显示出龋齿检测用的非侵入、非离子化成像方法是有前途的，但仍有改进的空间。现有的采用荧光成像的技术的一个公认的不足涉及图像对比度。诸如QLF之类荧光生成技术所提供的图像可能因健康区域和感染区域之间相对较差的对比度而难以评估。正如’2356 Stookey等人披露内容中所称的那样，初期龋齿的光谱以及强度变化可能很细微，因而难以将健康牙齿表面的凹凸不平与初期龋齿相区分。

普遍认为采用荧光技术所得到的图像对比度与症状的严重程度相对应。采用上述技术对龋齿的准确识别往往需要症状处于相对晚期的阶段而非初期或早期龋齿，这是因为对于早期阶段的龋齿来说，龋齿和健全的牙齿的结构之间的荧光差异很小。这种情况下，采用荧光技术的检测准确度与常规方法相比未呈现显著的改进。由于这种不足，荧光效应的利用在实践中似乎存在一些限制，妨碍了初期龋齿的准确诊断。其结果是，龋齿症状未被检测出来的情况一直持续到更为严重的时候，因而需要补牙。

为利用非侵入牙科技术来预防龋齿，就必需在开始时就检测出龋齿。在很多情形下，正如’2356 Stookey等人披露内容中承认的那样，已经发现利用诸如QLF之类现有的荧光成像技术难以达到这样的检测水准。因而，早期龋齿未被检测到的情况可能延续下去，因而在得到阳性检测结果时，可能已经错失了以低成本的预防措施来扭转不利情况的机会。

由此可见，对于龋齿检测需要一种非侵入、非离子化的成像方法，该方法改进了龋齿(尤其是处于初期阶段的龋齿)检测的精度。

发明内容

简要地说，根据本发明的一个方面，一种用于处理图像以检测龋齿的方法，包括：

(a)将入射光导向牙齿，其中所述入射光激发来自所述牙齿组织的荧光发射；

(b)从所述荧光发射获得荧光图像数据；

(c)从反射光获得来自所述牙齿组织的反射图像(reflectanceimage)数据；

(d)对所述反射图像数据应用彩色平衡；

(e)从所述彩色平衡的反射图像数据中去除镜面反射；

(f)将所述荧光图像数据与所述镜面反射补偿图像数据对齐；以及

(g)将所述对齐的荧光图像数据和所述镜面反射补偿图像数据组合以提供诊断图像。

本发明的一个特征在于采用荧光和反射图像数据两者用于牙齿成像。

本发明的优势在于增强了现有的荧光成像技术，有助于早期阶段龋齿的检测。

本领域的专业人员在结合附图(示出并描述了本发明的示例性实施例)阅读以下的详细描述后，本发明这些和其他目标、特征和优势将会变得更明显。

附图说明

图1是根据一个实施例的用于龋齿检测的成像装置的示意性框图；

图2是图像处理过程的图示，该过程将荧光和背散射图像数据组合以生成根据本发明的诊断图像；

图3是示意性框图，其示出了将镜面反射图像分量从反射图像数据中去除的图像处理步骤；

图4是示意性框图，其示出将修改的反射图像数据和荧光图像数据数组(array)空间对齐的步骤；以及

图5为示出根据本发明的组合牙科图像数据以生成诊断图像的过程的图示。

具体实施方式

本发明特别针对构成本发明的装置的组成部分的单元或者与该装置更为直接地协同配合的单元。应该理解，未专门图示或说明的单元可采取本领域技术人员熟知的各种形式。

如前面背景部分所指出的，众所周知，利用两种特性响应的任何一种，荧光可用于龋齿检测：第一种，蓝色光源的激发使健康的牙组织发出绿色光谱的荧光。第二种，红色光源的激发可使诸如那些指示龋齿的细菌副产物发出红色光谱的荧光。

为便于理解光在本发明中的利用方式，重要的是对术语“反射”和“背散射”给出更为精确的定义，因为这些术语通常用于生物医学的应用，具体来说用于本发明的方法和装置。按照最宽泛的光学术语解释(terminology)，反射通常是指镜面反射和散射反射两者的总和。(镜面反射是激发光中被牙齿表面以与入射角度相同的角度所反射的分量。)但是在许多生物医学应用中，如同在本发明的牙科应用中，反射的镜面分量并不受关注，相反，它对于来自样品的图像或测量的获得是有害的。对于本项申请，感兴趣的反射光分量仅来自于背散射光。镜面反射必须被阻挡，否则从成像路径中去除。基于认识上的这种区别，本申请中所使用的术语“背散射反射”是指反射光中受关注的分量。“背散射反射”定义为激发光中被所照射的牙齿结构在较宽角度范围内弹性背散射的分量。如同在本发明中所使用的术语，“反射图像”数据是指从背散射反射和镜面反射光学分量所得到的图像数据。在科学文献中，背散射反射也可以称为背反射，或简称为背散射。背散射反射与激发光在同一波长上。

已经展示的情况是，光的散射性质在健康的和龋齿的牙齿区域之间有所不同。特别是，对于正常-龋齿区域来说，来自被照射区域的光的背散射反射的差异处于可测的水平。单单这种反射的变化本身被认为不足以凸显诊断价值，因为这种效应虽可检测，但很细微。例如，对于较晚期阶段的龋齿来说，背散射反射作为指示标志的有效性低于较早期阶段。

成像装置

参考图1，其示出了采用一个实施例中的方法进行龋齿检测的成像装置。光源11将处于蓝光波长范围或其他合适波长范围的入射光16通过可选的透镜14或其他光束调节单元导向牙齿20。可以照射牙齿20的邻面或者咬合面。然后，光的两个分量通过透镜22由数字彩色照相机32检测；背散射光分量18具有具有与入射光相同的波长并且具有可测量的反射(reflectance)；荧光分量19因为入射光而被激发。

可替代地，第二光源12将处于第二波长范围的入射光16通过可选的透镜15或其他光束调节单元导向牙齿20。在这种情况下，光的两个分量通过透镜22被数字彩色照相机32检测，其对应于两个光源中的每个的响应。反射图像分量可以从来自第一源的光产生；荧光分量可以从来自第二光源的光产生。

由数字照相机生成的两个相应的数字彩色图像为反射图像34和荧光图像35。这两幅图像通过步骤38的图像处理被组合。然后将所得到的两幅图像(图5所示的背散射反射图像50和诊断图像52)在计算机监视器40上显示，被打印或提供用于解读。在图1中，只显示背散射反射图像和诊断图像。

图像处理

参考图2，至步骤38的两组输入数据为两组图像数组数据。尽管可以选择照相机和光源的光学元件使镜面反射最小，但是反射图像34仍包含了背散射反射分量和镜面反射分量两者。第二图像包含荧光图像数据。

由于反射图像将同时用作最终诊断图像的分量和用于直接观察，所以首先在步骤80中对该彩色图像数组进行彩色校正以补偿对牙齿的曝光上的差异。该步骤的简单实施例要求将红、绿和蓝分量的每一个都乘以规定的彩色常数，例如1.05、1.0、0.95。可对这三个常数进行选择，从而使得之后显示在计算机监视器上的所得到的彩色图像具有自然的彩色平衡。在这种情况下，例如，牙齿附近的灰色物体将显现灰色而不具有偏色。所得到的图像数组是彩色平衡的反射图像82。

如上所述，需要避免或从成像路径中清除背散射反射图像的镜面反射分量。当在反射图像中观察到镜面分量或有可能存在光谱分量时，可以采用图像处理来减少光谱分量。在对象90中示出了镜面反射移除操作的实施例。图3示出了细节。步骤91表示具有维数(n行×m个像素×3；红、绿和蓝色记录)的彩色平衡的反射图像的接收。在步骤92中，通过选择取值大于信号阈值(例如最大图像信号水平的90％)的那些位置来识别所述彩色平衡的反射图像的若干图像(像素)位置。这可以对彩色平衡的反射图像数组的每个彩色记录进行或者对单个彩色记录数组进行。被识别的像素位置形成一个集合或者掩模数组(mask array)m1。由此识别的像素可以形成像素组，其与镜面反射区域相关或者是假信号(spurious signal)的结果。小的区域(即小的物体)通过刻蚀的形态操作来消除，该操作之后是膨胀(dilation)94。刻蚀和膨胀是来自形态图像处理领域的技术(E.R.Dougherty，形态学图像处理导言(An introduction to Morphological Image  Processing)，SPIE Optical Engineering Press，BellinghamWashington，USA，1922，Ch.1)。结果是具有若干毗连的(contiguous)像素组(即，镜面反射区域)的逻辑图像数组。

该操作之后，识别出紧挨着每个上述镜面反射区域周围的区域。该操作的输入是来自步骤94的逻辑图像数组掩模m1’。应用形态膨胀96和逻辑的逐个像素减法97(logical pixel-by-pixelsubstraction)的操作。这些导致逻辑图像数组m2，其仅具有围绕识别的镜面反射区域的区域。

对于m2中的每个围绕区域的位置，在操作98中计算对应的反射图像的平均像素值。然后将该值加到随机数生成器的输出，以为每个镜面反射区域产生一系列信号值。随机数的数量与每个区域m1的像素的数量相同。然后用每个围绕区域的值的集合来代替每个镜面反射区域的像素值。因此，每个区域将具有其围绕区域的平均值加上随机的纹理。该过程98可以利用以伪代码写成的下列步骤描述：

{n1，m1}＝m1中的像素位置和对应值的集合

{n2，m2}＝m2中的周围位置和对应值的集合

n＝毗连区域的数量

k＝常数

％对于每个区域

For i＝1 to n

num＝length(n1(i))

％生成随机纹理(textu re)波动

％rand为随机数生成器

tex＝k＊rand(num，mean＝0)

％计算周围(背散射数据)值

mean2＝mean(w＊m2(n2(i)))

％用背散射数据替换镜面反射值

％加上纹理

w(n1(i))＝mean2+tex

end

％表示关于下一行操作的注释

注意，如果k＝0，那么没有纹理信号加入。步骤90的输出是减少或去除镜面反射的图像。由于减少了或去除了镜面反射分量，所以该图像数据是镜面反射校正彩色平衡的反射图像，或简单地称为背散射反射图像。

图像处理的下一个步骤是反射(w)和荧光(b)图像的空间对齐(spatial registering)。如果假定只需要平移校正(translation correction)，那么这可以使用二维相关方法(W.K.Pratt，数字图像处理(Digital Image Processing)，John Wileyand Sons，New York，pp.562-566，1978.)来实现。步骤110示出了该过程。参考图4，首先计算两个图像数据数组111的交叉相关矩阵(cross-correlation matrix)，

$c(l,m)=\frac{1}{(N-l)(M-m)}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N-l}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{M-m}w(i,j)b(i-l,j-m)-\stackrel{\‾}{w}\stackrel{\‾}{b}$

其中w是背散射反射图像数组，b是荧光图像数组，并且

$\stackrel{\‾}{w}=\frac{1}{\mathrm{NM}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{M}w(i,j),$

$\stackrel{\‾}{b}=\frac{1}{\mathrm{NM}}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{M}b(i,j),$

N和M可以是图像数据数组按像素的维数(dimension)或者对应的裁切区域的维数。每个被两个图像数据数组偏移(offset)的方向上的像素数量从数组c112的最大值的位置寻找。在步骤114中，数组b以相反的方向移动。结果是移动的荧光图像数据数组F115，该数组与背散射反射图像数据数组R对齐。

如前所述，修改后的图像数据的处理同时使用反射和荧光图像数据以生成能够用于识别牙齿的龋齿区域的最终图像。在步骤120，有多种替换的处理方法将反射和荧光图像数据组合以形成诊断图像52。在一个实施例中，该图像处理进行以下操作来形成诊断图像D，对于每个像素：

D＝(m＊(F_value-o))((n＊(R_value-p)     (1)

其中m和n是合适的乘数(正系数)，o和p是常数(正数、负数或者零)，F_value和R_value分别是从荧光和反射图像数据中获得的编码值。注意，如果o和p都为0，那么该操作就与共同受让的美国专利申请序列号No.11/262,869(Wong等人)中的等式(1)描述的运算相同。

可替代地，修改的图像数据可以使用图像处理中常见的一维查找表(LUT)操作来组合。LUT操作调用使用向量的离散信号映射。对于输入图像中的每个像素位置，该信号值用作进入LUT向量的索引。然后，将该索引值处的LUT向量的值存储在修改额图像中，其对应于输入图像数组的当前位置。该等式(1)可以写成，

D＝(LUT_F[(F_value-o)])LUT_R[(R_value-p)]     (2)

其中LUT_F和LUT_R是向量，通常长度为K，其中K是F_value和R_value可以取的可能离散级别(discrete level)的数量。如果LUT数组由于o和p的值而包含了变换，那么等式(2)是，

D＝(LUT_F[(F_value)])LUT_R[(R_value)]     (3)

组合修改后的图像的第四种方法是采用广义多元变换(generalized multivariate transformation)的形式，其等式(1)和(2)是特例，

D＝T[(F_value-o，R_value-p]    (4)

其中，T是变换，例如多项式，

T＝AF_value+BR_value+CF_valueR_value+DF² _value...    (5)

组合修改后的图像的第五种方法是采用多维查找表的形式。

参考图1，在上述产生诊断图像的图像处理之后，通常期望为打印、显示和检查目的而修改这些图像。例如在60，可以通过应用图像锐化或者经离散卷积进行的高通滤波运算来完成图像处理以锐化诊断图像的表象(G.A Baxes，数字图像处理原理和应用(Digital Image Processing Principles and Applications)，John Wiley，New York，1944，pp.91-95)。

因此所提供的是一种装置和方法，用于采用背散射反射和荧光的组合效应进行龋齿的早期和晚期检测。

部件清单

11 光源

12 光源

14 透镜

15 透镜

16 入射光

18 背散射光分量

19 光分量

20 牙齿

22 透镜

32 照相机

34 反射图像

35 荧光图像

38 组合图像

40  显示器

50  背散射反射图像

52  诊断图像

60  图像锐化操作

80  彩色平衡操作

82  彩色平衡的反射图像

90  镜面去除操作

91  接收彩色平衡的反射图像

92  使用阈值选择像素

94  刻蚀-膨胀操作

96  膨胀

97  逻辑减法

98  镜面反射区域的替换

110 图像空间对齐操作

111 交叉相关

112 最大相关的选择

114 数组移动

115 对齐的荧光图像

120 组合反射和荧光图像操作

Claims (7)

1.一种用于处理图像以检测龋齿的装置，包括：

光源，用于将入射光导向牙齿，其中所述入射光激发来自所述牙齿的组织的荧光发射；

数字彩色照相机，用于从所述荧光发射获得荧光图像，以及从反射光获得所述组织的反射图像；以及

计算机，其被配置成执行以下步骤：

对所述反射图像应用彩色平衡以产生彩色平衡的反射图像；

从所述彩色平衡的反射图像中去除镜面反射而留下背散射反射，以产生镜面反射校正图像，所述去除包括：

识别所述彩色平衡的反射图像中的像素，所述被识别的像素具有大于信号阈值的值并且与镜面反射区域相关；

从所述被识别的像素去除所述镜面反射区域；

识别围绕所述镜面反射区域的区域；

平均化所述围绕区域中的所述彩色平衡的反射图像中的像素值；以及

用包括所述平均化的像素值的信号值替换所述彩色平衡的反射图像中的所述镜面反射区域；

使所述荧光图像与所述镜面反射校正图像对齐；以及

将所述对齐的荧光图像和所述镜面反射校正图像组合以提供诊断图像用于检测龋齿。

2.如权利要求1的装置，进一步包括：

显示器，用于显示所述诊断图像。

3.如权利要求1的装置，其中，所述计算机被进一步配置成执行下步骤：

锐化所述诊断图像。

4.如权利要求1的装置，其中，所述计算机被进一步配置成执行下步骤：

将纹理加入所述信号值。

5.如权利要求1的装置，其中将所述对齐的镜面反射校正图像和所述荧光图像组合的步骤包括：

向每个图像应用偏移值。

6.如权利要求1的装置，进一步包括其输入为所述对齐的荧光图像和所述镜面反射校正图像的数据集合的多项式变换，其中所述计算机被配置成通过应用所述多项式变换将所述对齐的荧光图像和所述镜面反射校正图像组合。

7.如权利要求1的装置，进一步包括其输入是所述对齐的荧光图像和所述镜面反射校正图像的数据集合的多维查找表，其中所述计算机被配置成通过应用所述多维查找表将所述对齐的荧光图像和所述镜面反射校正图像组合。

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