CN102106720B - 检测口腔内菌斑的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了在已施加能够与菌斑结合的荧光剂的所述口腔内表面上检测菌斑的方法和装置，据此，辐射源发射出入射辐射以接触所述表面，所述辐射与所述表面接触引发的反射光和荧光发射由聚光器收集并通过所述装置中的光学通道传送，其中所述反射光和所述荧光发射的所述光信号被转化为电信号，随后对所述荧光发射和所述反射光的所述电信号进行数学运算，根据所述聚光器与已施加所述荧光剂的所述口腔的所述表面之间的所述距离提供补偿菌斑值。
Description
技术领域
本发明涉及检测经过荧光剂处理的口腔内组织(例如牙齿和牙龈)表面的菌斑(其中荧光剂与菌斑结合在一起)和测定补偿菌斑值的装置和方法。
背景技术
生物沉积物通常是指生物源材料的沉积，例如牙斑、菌斑、牙垢和牙结石，这些生物沉积物通常被视为是不利于口腔卫生的。牙菌斑是复杂的有机沉积物，某种程度上是由于细菌在口腔表面(例如在牙齿上)或污物(例如沉积在牙齿、牙龈、舌头或颊上的食物残渣)上滋生而形成。菌斑是蛀牙、牙周病和龋齿恶化的元凶。
希望在清除口腔中的菌斑沉积物(例如使用手动或电动牙刷、牙线、牙签或口腔冲洗器)之前，能够先将其检测出来；因为检测可指示清理牙齿时应重点清理的区域(即，菌斑所在区域)。但要在原位/活体内检测牙齿、牙龈、舌头或颊上的此类沉积物，难度可能较大。检测牙菌斑尤其重要。要检测菌斑，已知的是采用荧光检测法；使用该方法时，入射辐射直接照射口腔表面，具备与生物沉积物的存在相关联特征的荧光辐射从表面发出，并被检测到。
现有技术中有两种常规方法可用于检测牙菌斑，分别是固有荧光法和次生荧光法；采用前者可监测牙菌斑或其他牙科材料自身发出的荧光；而采用后者时，使用荧光标记材料对口腔内疑似附有菌斑的表面进行处理，这种材料将优先与牙菌斑结合，随后可检测到由与口腔表面结合的标记材料所发出的荧光，从而指示牙菌斑的存在位置。还知道可使用牙刷头检测牙菌斑，在这种牙刷头内部贯穿着一束光纤，用来使入射辐射直接照射测试牙齿表面、并收集从测试牙齿表面发出的辐射。
此类方法要求入射辐射能直接照射正在检测的口腔表面，并要求收集随后从那些表面发出的荧光发射辐射。辐射振幅取决于位于表面上的生物沉积物的量，以及光源和检测器与表面间的距离。那么测得的实际菌斑值将因为此类因素的变化而发生波动，导致得到的菌斑值可能无法真实反映口腔表面上的菌斑状况。现有装置在测定口腔表面上生物沉积物的量时，尚不具备补偿辐射源和/或传感器与口腔表面之间距离的功能。
根据本发明描述并受本文权利要求书保护的用于检测口腔内菌斑的装置和方法可补偿入射辐射的辐射源和/或光学传感器与正在检测的口腔表面之间的距离，从而提供补偿菌斑值。
发明内容
根据本发明的检测口腔内菌斑的方法包括使口腔表面与入射辐射接触，在接触的表面处含有向其施加的能够与菌斑结合的荧光剂。表面与入射辐射接触会形成具有第一峰值波长的反射光，以及具有源自荧光剂的第二峰值波长的荧光发射。由接触引发的第一部分荧光发射由第一聚光器收集，并通过光学通道传送至用于将第一部分荧光发射的光信号转化为第一部分荧光发射的电信号的第一工具，在该工具处第一部分荧光发射的光信号被转化为第一部分荧光发射的电信号。第一部分反射光由第二聚光器收集，并传送至用于将第一部分反射光的光信号转化为第一部分反射光的电信号的第二工具，在该工具处第一部分反射光的光信号转化为第一部分反射光的电信号。随后，对第一部分荧光发射和第一部分反射光的电信号进行数学运算，得出补偿菌斑值，该术语将在下文中进行定义和描述。
本发明还涉及检测已施加荧光剂的口腔表面上的菌斑的装置，此类装置包括其入射辐射能直接照射口腔表面的辐射源、用于收集反射光和荧光发射的第一聚光器和第二聚光器、用于在装置内传送反射光和荧光发射的光学通道、将反射光和荧光发射的光信号转化为电信号的工具，以及对电信号进行数学运算并得出补偿菌斑值的工具，该术语将在下文中进行定义和描述。
附图说明
图1为本发明的菌斑检测装置和方法的工作原理示意图。
图2示出了本发明的牙刷头实施例的刷毛面实施例的俯视平面图。
具体实施方式
本发明提供了检测口腔表面上的菌斑的装置和方法。装置包括其入射辐射直接照射口腔内的表面的辐射源。辐射源通常可提供峰值波长介于约450纳米至约500纳米范围内的光，然而此范围可根据施加在待检测口腔表面上的具体荧光剂而产生变化。装置可任选地包括滤光器，用于在入射辐射与待检测口腔表面接触前对其进行过滤。装置还包括用于收集入射辐射与表面接触产生的反射光和荧光发射的聚光器。在某些实施例中，聚光器可包括光纤或细丝。装置还包括用于在装置内传送收集的反射光和荧光发射的光学通道。在某些实施例中，光学通道可包括光纤。因此，光纤既可用于收集反射光和荧光发射，又可用于传送反射光和荧光发射。
装置还包括用于感知反射光和荧光发射的光信号的电子组件。在一个实施例中，反射光和荧光发射的光信号相继(但基本上同时)被感知或检测到。所谓“基本上同时”，是指虽然测量并非正好在同一时刻进行，但因为检测到反射光和荧光发射的各个时刻间的间隔很小，所以在每次检测中都大致同时读出反射光和荧光发射的读数。装置还包括用于将光信号转化为电信号的工具(例如换能器)。装置可包括用于放大或调节电信号以提供更为平滑或平均、或噪音降低的信号的工具。装置还包括数据处理器，其可包括模数转换器，用于将电信号从模拟形式转换为数字形式。然后，处理器通过内部迭代对收集到的反射光和荧光发射的电信号进行数学运算，得出补偿菌斑值。对收集的荧光发射的值进行补偿时，应将聚光器与正在检测的口腔表面之间的距离考虑进去。因此，所测得的菌斑值是在任意给定时刻/读数的聚光器与口腔表面之间距离的函数。因为测得的菌斑值是距离的函数，所以不论辐射源与口腔表面之间的实际距离如何，通过这种方式测得的补偿菌斑值将基本上相同。所谓“基本上相同”，是指在任何给定距离测得的补偿菌斑值在统计学上是相同的。装置可用作口腔清理装置(例如手动或电动牙刷、牙线、牙签或口腔冲洗器)的组件或与其结合使用。
本发明的检测菌斑的方法和菌斑检测装置涉及使用荧光剂，荧光剂能够与口腔内组织(如牙齿和牙龈)表面上存在的菌斑相结合。此外，当使用特定波长的入射辐射照射荧光剂时，荧光剂能够提供荧光发射。已知的荧光剂为(例如)荧光素或其盐(例如荧光素钠)，这些物质可分散在合适的介质(例如牙膏、牙科凝胶或含有荧光剂的漱口液)中。可通过首先使用荧光剂冲洗口腔、或使用含有荧光剂的牙膏或牙科凝胶的方式来施加荧光剂。口腔表面的菌斑上所保持的荧光剂的量与表面上菌斑的量成正比。然而荧光素仅仅是荧光剂的一个例子，与荧光素类似的其他可与菌斑结合的试剂已为人所知。在本发明的方法和装置中应用的入射辐射的具体波长将视选用的具体荧光剂而定。
图1为根据本发明的用于检测菌斑的方法和装置的工作原理示意图。尽管本发明还涵盖口腔内使用的其他装置，但描绘的特定实施例为牙刷。图2为根据本发明的牙刷头沿刷面截取的平面图。在所示出的实施例中，图1中以第一虚线框代表的牙刷头部分14，不仅包括用于清洁牙齿的常规刷毛簇26，还包括辐射源22以及用于传送口腔表面与入射辐射接触所产生的反射光33和荧光发射34的光纤24a和24b。视辐射源的情况，头部14还可包括第一滤光器42。
图1中以第二虚线框代表的电子外壳18将容纳如上文所述的菌斑检测装置的其他电子组件。在一些实施例中，电子外壳18可位于菌斑检测装置的手柄部分(例如牙刷手柄)中。在所示出的实施例中，光纤24a和24b从头部14开始延伸进电子外壳18中。外壳18还容纳着第二滤光器44、第一光学换能器46、第二光学换能器48、第一放大器52、第二放大器54、数据处理器56，以及用于驱动电子组件的电源50。
图1还示出了口腔的代表性表面，如带有顶部表面62和侧面64的牙齿60。虽然图1示出的菌斑检测装置10作用于牙齿60的顶部表面62，但应当理解，入射辐射不仅与牙齿60的顶部表面62接触，还与侧面64接触。此外，根据使用者的刷牙技巧，此类接触可在多颗牙齿60的顶部表面62和侧面64处同时发生。菌斑检测装置还可用于口腔内的其他表面，例如牙龈、舌头或颊的表面。
操作中，在使用菌斑检测装置之前，采用荧光标记材料(例如荧光剂)处理口腔，该材料优先与牙菌斑结合，并在暴露于入射辐射时产生荧光发射。入射辐射的峰值波长可根据选用的具体荧光剂而变化。在使用荧光素或其盐(例如荧光素钠)的实施例中，入射辐射的峰值波长可在约450纳米至约500纳米的范围内。辐射源22置于口腔内后，即发出峰值波长为约450纳米(nm)至约500纳米、或约470纳米的光。光可通过第一滤光器42，其中波长在约510nm以上的所有光被基本滤除。如图所示，来自辐射源22的入射辐射32作用在牙齿60的顶部表面62上，尽管如此，正如上文所讨论的那样，入射辐射可与口腔的多个表面(例如多颗牙齿的表面)相接触。入射辐射与表面接触后，便与已和位于牙齿60表面上的菌斑结合的荧光剂发生相互作用。然后荧光剂产生峰值波长为约520nm至约530nm的荧光发射34。由荧光剂产生的荧光发射34的第一部分由光纤24a收集，并通过光纤24a在装置内传送，以便进行数学处理。顺便提及，反射光33的第二部分与荧光发射34的第一部分同时收集和传送。荧光发射34通过第二滤光器44，其中波长在约515nm以下的所有光被基本滤除，从而确保基本上没有反射光传送到数据处理器56。经过滤的荧光发射34随即通过光电二极管形式的第一光学换能器46，该组件将光信号转化为电信号。电信号在通过第一放大器52后得以增大，随后再传送到数据处理器56。
反射光的第一部分由光纤24b收集，并通过光纤24b在装置内传送，以便进行数学处理。顺便提及，荧光发射34的第二部分和反射光的第一部分同时收集和传送。荧光发射34的第二部分和反射光的第一部分传送通过光电二极管形式的第二光学换能器48，该组件将光信号转化为电信号。虽然提供滤光器为一种选择，用于在所有荧光发射通过第二光学换能器48之前基本将其滤除，但在所示实施例中，荧光发射的第二部分和反射光的第一部分在通过第二光学换能器48之前均未进行过滤，因为这些信号是用来测量从辐射源22至牙齿60表面的距离的。未经过滤的电信号穿过第二放大器54后得以增大，随后再传送到数据处理器56。
可用于菌斑检测装置10的电子器件可包括Taos TSL12S-LF光电二极管、Opamp Analog AD8544ARZ放大器、Semrock荧光滤光器(FF01-500-LP、FF01-475/64)以及Atmel ATMEGA8L-8AU微处理器。
数据处理器56对第一光学换能器46和第二光学换能器48的输出信号执行数学运算。在数学运算过程中，对经过滤的荧光发射34产生的电信号进行修正，以说明从未经过滤的电信号中接收的电信号，其中该信号用于确定从光纤24b的顶端(即聚光器处)到牙齿60表面的距离。这两种信号之间的关系可通过实验确定，即通过在距经荧光剂涂覆的物体表面已知距离处测定它们各自的信号强度来确定。数学运算的结果为修正的电信号，使用该信号可得出补偿菌斑值，该术语将在下文中进行定义和描述。
图2示出了本发明的菌斑检测装置第一实施例的平面图。如图所示，菌斑检测装置10以具有柄部12和头部14的牙刷形式存在。图2示出了菌斑检测装置10的刷毛面16。通常情况下头部14的刷毛面16以椭圆形示出，但重要的是刷毛面16可为(例如)三角形、正方形、矩形、梯形和其他多边形，或圆形、椭圆形、月牙形、筝形、星形或其他曲线形状。
辐射源22、聚光器和传送器24以及清洁毛簇26均设置在刷毛面16上。优选地为发光器形式(例如发光二极管(LED))的辐射源22发出入射激发辐射，直接照射待清洁牙齿的表面。典型地为光纤形式的聚光器和传送器24收集牙齿发出的荧光辐射。光纤不仅可由二氧化硅之类的玻璃制成，还可由氟锆酸盐、氟铝酸盐以及硫族化物玻璃之类的其他材料制成，另外还可为塑料光纤(POF)的形式。
清洁毛簇26由大约20至50根独立刷毛组成，这些刷毛以最优化牙齿表面清洁效果的方式排列在刷毛面16上。图1示出了清洁毛簇26在刷毛面16上的一种布置方式。应当理解，清洁毛簇26在刷毛面16上的布置方式在本发明的范围内并非限制性的。典型的清洁毛簇的直径大约为0.063英寸(1.6mm)，而横截面积大约为0.079平方英寸(2mm2)。常用的刷毛的直径为：软刷毛，0.006英寸(0.15mm)；中等硬度刷毛，0.008英寸(0.2mm)；硬刷毛，0.010英寸(0.25mm)。
在使用上文所述的方法识别龋齿、牙齿上的菌斑或细菌感染时通常会遇到一个问题，即检测到的荧光辐射会与日光或人工室内照明光发生破坏性的叠加。这些环境光还可从牙齿60反射，从而被光纤24a和24b收集。环境光的光谱区域位于根据本发明的检测区域内，由此产生的背景信号(即噪音)会限制菌斑检测的灵敏度。
根据本发明对辐射源22产生的入射辐射32进行周期性调制，可有效解决该问题。在这种情况下，由于激发态仅维持很短的时间，所以荧光发射34实际上获得了瞬时激发辐射强度。相反，环境光未经周期性调制，将仅作为恒定成分叠加到检测到的荧光发射34上。要对荧光发射34作出评价，现在可仅将用相应频率进行调制的辐射用作检测信号并对其进行评价。这样，就将作为恒定成分的环境光几乎完全滤除，并且对菌斑的检测几乎完全不受环境光的影响。然而，因为环境光会受到电源电压频率的轻微调制，所以入射辐射32的调制频率应明显不同于电源电压的频率，并优选地处于100Hz和200kHz之间的范围内。
用于检测口腔内菌斑的装置还可用作跟踪口腔健康的口腔护理系统的一部分或与其结合使用。此类系统可记录清洁操作前后牙齿、牙龈、舌头或颊表面的菌斑程度，并跟踪菌斑程度随时间推移的变化，将结果报告给使用者或牙科护理专业人员。
结合下列实例可以更好地理解本发明。
实例
实例1：测量补偿菌斑值
通过更改手动牙刷的头部，具体方法为从手动牙刷的头部朝外插入蓝色LED，从而制成原型菌斑检测牙刷，该牙刷允许来自LED的光照射牙齿表面。LED由一组为12个的光纤细丝环绕，并指向由蓝色LED照明的区域内的牙齿表面。光纤穿过牙刷颈部通往牙刷柄部内的一对光传感器(Taos TSL12S-LF)。这些光纤被分成两组。第一组穿过只允许515nm以上波长通过的滤光器(Semrock FF01-500/LP)，而第二组允许所有波长通过，即不使用滤光器。经过滤的光表示菌斑值，而未经过滤的光用于说明聚光器(即光纤顶端)与牙齿表面间的距离。光传感器的输出端连接至放大器(模拟装置AD8544ARZ)，并进而连接到8位微控制器(AtmelATMEGA8L-8AU)。微控制器包括两个10比特模数转换器，使信息能够在微控制器中以数字形式得到处理。
通过此装置，使用Typodent牙齿模型开展实验，其中该模型涂覆有包含荧光材料的模拟菌斑材料。人工菌斑在牙齿表面上的涂覆方式与菌斑在人的口腔中生长的方式类似。实验包括将聚光器(例如光纤细丝的顶端)设置在离牙齿表面远近不同的位置处，以便得出距离和菌斑值之间的关系。
使用以下参数操作原型装置：
·采样频率为500Hz(采样周期为0.002秒)，在重复采样时顺序地得到4个测量值。
·对每个输出数据值的每20个数据点求平均值。
·原型装置由8位微控制器以7MHz时钟频率驱动。
·通过RS232读取数据并将数据记入电子表格，以及
·进行环境光补偿。
将原型装置放置在距离模型牙齿表面0至10mm之间的位置处。分别在距离LED开、距离LED关、菌斑LED开以及菌斑LED关时进行读取。采用下式计算在每个距离处的总菌斑和总距离的信号值：
总菌斑＝菌斑LED开-菌斑LED关(I)
总距离＝距离LED开-距离LED关(II)
表I示出菌斑LED开、菌斑LED关、总菌斑、距离LED开、距离LED关和总距离的测量值/计算值。
表I：原型口腔清洁装置的距离和菌斑读数。
将A列的值(总菌斑)对应于B列的值(总距离)作图。将所得的图线进行曲线拟合，得到下列直线方程：
总菌斑＝1.304(总距离)-66.61 (III)
因为在距离模型牙齿表面1mm位置处总菌斑的值为226，所以按下式计算补偿菌斑值：
补偿菌斑＝226+(1.304(总距离)-66.61)/总菌斑 (IV)
表II示出在不同距离处的补偿菌斑计算值。
表II：将原型口腔清洁装置放置在不同距离处得到的补偿菌斑值。
| 距离(mm) | 总菌斑 |
| A | |
| 0 | 226.70 |
| 0.5 | 226.77 |
| 1.0 | 226.88 |
| 1.5 | 226.95 |
| 2.0 | 227.00 |
| 2.5 | 227.06 |
| 3.0 | 227.15 |
| 3.5 | 227.09 |
| 4.0 | 227.10 |
| 4.5 | 227.11 |
| 5.0 | 227.13 |
| 5.5 | 227.12 |
| 6.0 | 227.10 |
| 6.5 | 227.09 |
| 7.0 | 227.06 |
| 7.5 | 227.06 |
| 8.0 | 227.04 |
| 8.5 | 227.02 |
| 9.0 | 227.01 |
| 9.5 | 226.97 |
| 10.0 | 226.97 |
| 平均值 | 227.02 |
| 标准偏差 | 0.12 |
表格显示，补偿菌斑与距离无关，其平均计算值为227.02，标准偏差为0.012(0.05％)。因此，聚光器在距离模型牙齿表面不同位置处的菌斑读数值已得到距离补偿。
Claims (22)
1.一种检测口腔中菌斑的方法，所述方法包括：
使所述口腔的表面与入射辐射接触，所述表面包含向其施加的能够与菌斑结合的荧光剂，通过所述接触提供具有第一波长的反射光、以及源自具有第二波长的所述荧光剂的荧光发射，
收集所述接触引发的所述荧光发射的第一部分，并将其传送至第一工具，所述第一工具将所述第一部分荧光发射的光信号转化为所述第一部分荧光发射的电信号，其中所述第一工具的作用即将所述第一部分荧光发射的所述光信号转化为所述第一部分荧光发射的所述电信号，
收集所述反射光的第一部分，并将其传送至第二工具，所述第二工具将所述反射光的所述第一部分的光信号转化为所述反射光的所述第一部分的电信号，其中所述第二工具的作用即将所述反射光的所述第一部分的所述光信号转化为所述反射光的所述第一部分的所述电信号；以及
对所述荧光发射的所述第一部分的所述电信号和所述反射光的所述第一部分的所述电信号进行数学运算，得出补偿菌斑值，所述补偿菌斑值确定为收集所述荧光发射的点与所述口腔的所述表面之间的距离的函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述荧光剂包括荧光素或其盐，并且所述入射辐射的峰值波长为约450纳米至约500纳米。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述入射辐射在与所述表面接触之前通过第一滤光器。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述入射辐射的波长为约470纳米。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述反射光的第二部分和所述荧光发射的所述第一部分在所述荧光发射的所述光信号转化为所述荧光发射的所述电信号之前，同时收集并传送通过第二滤光器，所述第二滤光器滤除波长小于约515纳米的光。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述荧光发射的所述电信号和所述反射光的所述电信号在所述数学运算之前得到放大。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述荧光发射的所述电信号和所述反射光的所述电信号在所述数学运算之前被转化为数字形式。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述荧光发射的第二部分与所述反射光的所述第一部分同时传送。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述荧光发射的所述第一部分和所述反射光的所述第一部分的所述传送基本同时进行。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述荧光发射包括约520纳米至约530纳米的峰值波长。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述反射光和所述荧光发射由光纤收集并传送。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述反射光的所述第一部分和所述荧光发射的所述第二部分在所述荧光发射的所述光信号转化为所述荧光发射的所述电信号之前，同时传送通过第三滤光器，所述第三滤光器滤除波长大于约515纳米的光。
13.一种检测所述口腔表面上的菌斑的装置，所述装置包括：
其入射辐射直接照射在所述口腔的所述表面上的辐射源，
用于收集反射光和荧光发射的聚光器，
用于在所述装置中传送所述收集的反射光和所述收集的荧光发射的光学通道，
将所述反射光的光信号和所述荧光发射的光信号转化为电信号的工具；以及
对所述反射光的所述电信号和所述荧光发射的所述电信号进行数学运算并得出补偿菌斑值的工具，其中所述补偿菌斑值确定为收集所述荧光发射的点与所述口腔的所述表面之间的距离的函数。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述聚光器包括光纤。
15.根据权利要求13所述的装置，其中所述光学通道包括光纤。
16.根据权利要求14所述的装置，其中所述光学通道包括光纤。
17.根据权利要求13所述的装置，其中将所述反射光的所述光信号和所述荧光发射的所述光信号转化为所述电信号的所述工具包括光学换能器。
18.根据权利要求13所述的装置，还包括用于放大或调节所述反射光的所述电信号和所述荧光发射的所述电信号的工具。
19.根据权利要求13所述的装置，还包括第一滤光器，所述入射辐射在与所述表面接触前通过所述第一滤光器。
20.根据权利要求13所述的装置，还包括第二滤光器，所述反射光的第二部分和所述荧光发射的第一部分在所述光信号转化为所述电信号之前传送通过所述第二滤光器。
21.根据权利要求13所述的装置，还包括第三滤光器，所述反射光的第一部分和所述荧光发射的第二部分在所述光信号转化为所述电信号之前传送通过所述第三滤光器。
22.根据权利要求13所述的装置，其中用于对所述反射光的所述电信号和所述荧光发射的所述电信号进行数学运算的所述工具包括数据处理器，所述数据处理器还包括模数转换器，所述模数转换器在所述电信号的运算之前将所述反射光的所述电信号和所述荧光发射的所述电信号从模拟形式转化为数字形式。
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