CN102292018B - 用于龋检测的方法和设备 - Google Patents

Abstract

利用牙齿(20)的荧光和/或反射效应形成牙齿(20)的增强图像(60)的方法采用形态学图像处理技术，并降低对图像(60)的整体强度变化的敏感度。

Description

用于龋检测的方法和设备

相关申请的交叉引用

对如下专利申请作出引用：Wong等人于2006年8月31日提交的、名称为“用于龋检测的方法”的、共同受让的同时未决美国专利申请序列No.11/468,883；以及Liang等人于2006年9月12日提交的、名称为“用于龋检测的设备”的美国专利申请序列No.11/530,987，所述专利申请的揭示在此并入。

技术领域

本发明涉及一种用于牙齿成像的方法。本发明尤其涉及一种利用荧光和光的散射作龋的早期检测的改进方法。

背景技术

龋牙是全世界主要的公共卫生问题。龋牙已被确定为儿童期单种最普遍的慢性病。尽管在治疗和预防龋牙方面作出的进步，但需要作出更显着的进步以进一步处理该问题。

龋牙是慢性传染病。较早的检测减轻疾病的破坏；其允许齿科专业人员给予专业治疗，以逆转龋过程而不是接受更昂贵的并且不太受人期望的修复治疗。

用于龋检测的传统方法包括用尖锐的牙科探针装置的视觉检查和触觉探测，常常由射线照相(X射线)成像协助。存在与常规检测技术相关的危险，包括损伤弱化牙齿的危险、传播感染的危险和暴露于X射线辐射的危险。

响应于对改进的龋检测方法的需求，存在对不采用X射线的改进的成像技术的兴趣。已商业化的一种方法是采用当用高强度紫外(UV)-蓝光照射牙齿时引起的荧光。称为定量光诱导荧光(QLF)的该技术根据如下的原理操作：完好的健康牙齿釉质在有些波长的激发下比被龋感染损坏的去矿化釉质产生更高的荧光强度。于是，将矿物损失与UV-蓝光激发的荧光损失之间的强相关用于识别和评定牙齿的龋损区。

在美国专利申请No.11/468,883中，将采用牙齿的反射和荧光图像二者的方法和设备用于检测龋。该专利申请利用观察到的关于初期龋的并与荧光效应结合的反向散射，以提供检测龋的改进的牙齿成像技术。称为具有反射增强的荧光成像(FIRE)的技术使图像的对比度相对于较早方法的图像的对比度有所提高，并且还使得该技术能够检测到当预防措施可能奏效的阶段时的初期龋。有利的是，利用单独测量荧光的现有荧光方法，FIRE检测在龋感染的更早阶段(与已经展现出来的阶段相比)可以是准确的。该申请描述了一种产生FIRE图像的降速变换(downshifting)法(称为降速变换-FIRE)。

发明内容

本发明的目的是提供一种FIRE图像生成方法，其具有对照明变化的降低的敏感性。

根据本发明的一个方面，提供一种用于形成牙齿的增强图像的方法，包括：

a)通过如下步骤从牙齿获得荧光图像数据：

(ai)朝牙齿引导入射光；

(aii)感测来自于牙齿的荧光发射；以及

(aiii)存储荧光图像中的每个像素位置的荧光图像数据值；

b)通过如下步骤从牙齿获得反射图像数据：

(bi)朝牙齿引导入射光；

(bii)感测来自牙齿的反向散射反射光；以及

(biii)存储反射图像中的每个像素位置的反射图像数据值；以及

c)通过如下步骤将荧光图像数据中的每个像素与其在反射图像数据中对应的像素结合：

(ci)由反射图像计算局部极大图像数据值；以及

(cii)根据荧光图像数据值与局部极大图像数据值之间的差计算增强图像数据值；并且由此由得到的增强图像数据值的像素阵列形成增强图像。

优选地，获得荧光图像数据的入射光的波长在300至500nm之间。

优选地，在步骤(b)中由白光发光二极管(LED)发射入射光，而在步骤(a)中由UV LED发射入射光。

优选地，基于采用灰度重构的形态学程序计算局部极大图像。更优选地，形态学程序为h-圆顶(h-dome)转换，其包括以下步骤：

(1)通过从掩模减去预定值来由掩模计算标记图像，该掩模为反射图像的灰度形式；

(2)由标记计算掩模的灰度重构；

(3)通过从掩模减去(2)的结果来计算局部极大图像数据值。

优选地，增强图像数据值计算步骤通过从荧光图像数据值减去局部极大图像数据值来执行。

替代性地，通过如下步骤执行增强图像数据值计算步骤：

(i)使荧光图像数据值与第一标量乘数相乘；

(ii)使局部极大图像数据值与第二标量乘数相乘；

(iii)从(i)的结果减去(ii)的结果，以获得增强图像数据值。

本发明的优点是，其具有对照明变化降低的或最小的敏感性。换句话说，根据本发明的方法是一种产生FIRE图像的更健壮的方法。

附图说明

本发明以上及其它的特征和优点将通过参考附图详细描述本发明的示例性实施例而变得更为显而易见。

图1是根据本发明用于龋检测的成像设备的示意性方框图；

图2是根据本发明用于龋检测的替代成像设备的示意性方框图；

图3是示出在本发明的方法中执行的步骤的流程图；

图4是示出在识别反射图像中的局部极大值中的步骤302的实现的流程图；

图5是将根据现有技术产生的降速变换-FIRE图像与根据本发明产生的形态学-FIRE图像相比的说明图。

具体实施方式

本发明包括计算步骤。本领域的技术人员将认识到的是，这些计算步骤可由硬件或软件执行。由于图像处理系统是众所周知的，所以本描述尤其涉及算法和系统，所述算法和系统形成根据本发明的方法的一部分或更直接地与根据本发明的方法协同工作。在此未具体的示出或描述的这样的算法和系统的其它方面、以及用于产生并以另外的方式处理所涉及的图像信号的硬件和/或软件可选自本领域已知的这样的系统、算法、部件和组件。假定如在以下的说明书中提出的描述，其所有软件实现是常规的并且属于这样的领域内的普通技能的范围。

更进一步，如在此所使用的，软件程序可存储在计算机可读存储介质中，其可包括例如：磁存储介质，诸如磁盘(诸如软盘)或磁带；光存储介质，诸如光盘、光带或机器可读条码；固态电子存储装置，诸如随机访问存储器(RAM)或只读存储器(ROM)；或用于存储计算机程序的任何其它物理装置或介质。

在描述本发明之前，为便于理解应指出的是，本发明可用在诸如个人计算机的计算机系统上、或用在采用诸如数字信号处理芯片的专用数据处理部件的嵌入式系统上。

参考图1和2，在美国专利申请序列No.11/468,883和美国专利申请序列No.11/530,987中更详细地描述并在此作为参考并入的成像设备被布置成执行本发明。

图1图示根据本发明用于龋检测的成像设备10。在图1中，光源12通过可选择的透镜14或其它光束调节部件朝牙齿20引导UV-蓝光波长范围或其它合适的波长范围的入射光。实际上，光源12可发射波长范围从上紫外线范围到较深的蓝色的光(在大约300至500nm之间)。牙齿20可在平滑表面(如所示)被照射或在咬合表面(未示出)被照射。然后，通过透镜22由单色摄像机30检测光的两个分量：反向散射光分量，其具有与入射光相同的波长并具有可测量的反射；以及荧光，其由于入射光而已被激发。

单色摄像机30可具有彩色滤光片26和28。彩色滤光片26或28中的一个在反射成像期间使用；而另一个在荧光成像期间使用。处理设备38获得并处理反射和荧光图像数据，并形成FIRE图像60。FIRE图像60是包含龋检测信息的增强图像；其可被打印或可显示在显示器40上。FIRE图像60的数据还可被发送至存储器或被发送至用于显示的另一位置。

图2示出利用彩色摄像机32和多个光源12的替代成像设备10，每个光源12均具有不同的光谱范围。如所图示的，一个光源12是用于获得反射图像的白光光源。白光光源典型的光谱范围可包括从大约400至大约700nm的波长，并且其可从白光LED发射。其它光源12为UV LED、蓝光LED或发射用于激发荧光发射的具有较短的波长的光的其它源。例如，其光谱范围可完全在300-500nm的范围之内。带通滤波器17可用于使频带变窄，并减少从该第二光源进入荧光图像的光学串扰(optical crosstalk)。偏振片42可设置在入射照明光的路径中，而分析器44可作为使镜面反射分量最少的装置设置在来自牙齿20的图像承载光的返回路径中。来自牙齿的返回光的路径中的长通滤波器15用于使紫外线和较短波长的可见光(例如光谱的蓝光部分内的光，中心在大约405+/-40nm附近)衰减，并使较长波长的光通过。该布置使可用于激发荧光(通常中心位于光谱的绿光部分内，名义上约为550nm)的蓝光的效应最小，并且通过使该较短波长的光衰减来允许将白光光源用作获得反射图像的光源12。

当存在多个光源12时，单独的光源12可在开启与关断之间切换，以便在任一时刻获得对应的反射或荧光图像。例如对于参考图2描述的实施例，白光光源12为开启，以在摄像机32或其它传感器处获得反射图像(或白光图像)。其它UV LED源为关断。然后，当白光光源12为关断并使UV LED源通电时，可获得荧光图像。

根据本发明，引入一种利用形态学灰度重构技术以产生改进的FIRE图像的方法。如图3所示，在步骤301处，利用在图1或图2中图解的成像设备10，以上述方式从牙齿捕获荧光图像数据和反射图像数据。在步骤302处，确定反射图像中的局部极大值。牙齿上的白点区(早期龋)显得比反射图像中周围完好的牙齿区域亮，并且白点区不管它们的绝对像素值如何，均对应于反射图像的强度图中的局部极大值。因此，局部极大值的确定提供了合适的识别早期龋区域中的像素的方式，其不受由诸如照明不均匀性、成像光学下降或牙齿几何形状的因素而产生的图像强度中的整体变化的影响。然后，在步骤303处，从荧光图像减去反射图像的局部极大值。合成图像为FIRE图像304，其中已提高龋与完好的区域之间的对比度。

在图4中图示了步骤302更详细的实现。该实现利用h-圆顶转换图像处理技术。h-圆顶转换采用称作灰度重构的形态学操作，并提供从灰度图像提取局部极大值的非常有效率的方法。即使可类似地使用采用灰度重构的其它形态学程序(诸如通过重构的顶帽(top-hat))，h-圆顶转换也是合适的技术。灰度重构和h-圆顶转换的方法在许多图像分析应用中是有用的。由于灰度重构和h-圆顶转换的方法是众所周知的，所以在此不进一步描述它们的定义和结构；在文献“图像分析中的形态学灰度重构：应用和有效率的算法”(出版于IEEE Transactions onImage Processing，1993年4月，第2卷，第2期，176-201页)中可找到深入的讨论。在此仅在灰度重构和h-圆顶转换的方法如何应用于反射图像的局部极大处理的情况下提供说明。

现在参考图4，首先，将反射图像设定成掩模(MASK)。如果反射图像为彩色图像，则掩模为反射图像的灰度形式。例如，掩模可以是彩色图像的单色通道。在优选实施例中，将反射图像的蓝色通道用作掩模。然后，通过实现以下操作由掩模计算标记(MARKER)图像：

$\mathrm{Marker}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{reflec}\tan \mathrm{ce}-h;& \mathrm{if\; reflec}\tan \mathrm{ce}>h\\ 0;& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，reflectance指的是掩模的每个像素值，而h是与所关心的局部极大值的高度(以像素代码值为形式)相关的预定值。对于具有256个最大灰度级的牙齿反射图像，h可在大约40至大约70的范围之内。在优选实施例中，h设定在50。

然后，由标记(reflectance-h)计算掩模(reflectance)的灰度重构：

Reconstruction Result＝ρ_reflectance(reflectance-h)(2)

其中，ρ_reflectance为形态学灰度重构操作。ρ_reflectance的算法实现为图像处理领域的技术人员所知；在较早引用的参考中可找到示例。

然后，从掩模减去重构图像，以产生h-圆顶图像D_h(reflectance)：

D_h(reflectance)＝reflectance-ρ_reflectance(reflectance-h)    (3)

h-圆顶图像由反射图像的局部极大值组成，局部极大值与牙齿的白点区对应。该h-圆顶图像是这样的图像，其将按照以下讨论的方式与荧光图像结合从而产生FIRE图像。

返回参考图3，在步骤304处，通过采用图像融合以将荧光图像与h-圆顶图像结合来计算FIRE图像的结果。可使用各种图像融合技术。在优选实施例中，从荧光图像减去h-圆顶图像，以产生FIRE图像：

$\mathrm{FIRE}=$

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{fluorescence}-D_h\left(\mathrm{reflec}\tan \mathrm{ce}\right);& \mathrm{fluorescence}>D_h\left(\mathrm{reflec}\tan \mathrm{ce}\right)\\ 0;& \mathrm{Otherwise}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，fluorescence指的是荧光图像的每个像素值。如果荧光图像为彩色图像，则fluorescence指的是荧光图像的灰度形式的每个像素值。在优选实施例中，fluorescence指的是荧光图像的绿色通道的每个像素值。

替代性的，还可将标量乘法用于调整图像融合结果。在该情况下，可根据以下方程计算FIRE图像：

$\mathrm{FIRE}=$

$\left\{\begin{array}{cc}m*\mathrm{fluorescence}-n*D_h\left(\mathrm{reflec}\tan \mathrm{ce}\right);& \\ \mathrm{if\; m}*\mathrm{fluorescence}>n*D_h\left(\mathrm{reflec}\tan \mathrm{ce}\right)& \\ 0;& \mathrm{Otherwise}\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，m和n为标量乘数。取决于荧光图像与h-圆顶图像的相对强度，选择m和n，以在合成的FIRE图像中产生最佳的对比度。在优选的实施例中，m＝n＝1。

来自执行方程(4)或(5)的操作的融合结果是FIRE图像，该FIRE图像是包含所需的龋检测信息的牙齿的增强图像。

如方程4和5所计算的，FIRE图像为灰度图像。FIRE图像可照原来的样子呈现为灰度图像。替代性的，FIRE图像可与荧光图像的红色和蓝色通道结合，以呈现为复合的彩色图像。彩色FIRE图像具有浅绿色的外观，非常像荧光图像，但具有FIRE图像内容。

本发明相对于现有技术中的降速变换-FIRE实现方案产生明显的改善。这通过图5中的草图图示，对于牙齿401，该草图将利用现有技术产生的降速变换-FIRE图像与利用本发明产生的形态学-FIRE图像相比。在两个图像中均检测到牙齿的颊面的中心附近的损伤402。然而，在降速变换-FIRE图像中遗漏了较靠近图像强度较弱的邻面的损伤403，而在形态学-FIRE图像中清楚地检测到了该损伤403。因此，本发明提供一种用于FIRE图像生成的显着改进的方法，并提供早期龋(即白点损伤)更敏感的检测。

替代实施例

由于反射图像中的局部极大值直接对应于牙齿上的轻微去矿化区，所以h-圆顶图像本身提供早期龋检测中的值。这提供仅使用反射图像的龋检测方法的替代实施例。该替代实施例不需要荧光成像和FIRE处理，并且在有些情形下可能合乎需要。

在该替代实施例中，可如所示的使用图1和2的成像设备，或者可通过排除UV LED照明进一步简化所述成像设备。以与先前描述的相同方式捕获反射图像，并且通过在图4中图示的相同过程获得反射图像的局部极大值。于是，可通过如下方式呈现早期龋检测(即白点损伤)信息：通过显示h-圆顶图像本身(具有或者没有图像表现/处理)，或者通过显示被h-圆顶图像修改以突出牙齿上的早期龋像素的反射图像。反射图像可以许多方式修改，包括：

1、诸如通过加法运算，用h-圆顶图像的像素值调节反射图像的像素值；

2、描绘反射图像中的与在h-圆顶图像中提取的局部极大值对应的早期龋区域；

3、将伪彩色涂在反射图像中的与在h-圆顶图像中提取的局部极大值对应的像素上。

应指出的是，上述实施例阐释而不是限制本发明，并且本领域的技术人员在不偏离所附权利要求的范围的情况下能够设计替代性实施例。

在本说明书和权利要求中，动词“包括”和“包含”连同其分词的使用不排除与在此声明的单元或步骤以外的单元或步骤的存在。在单元之前的冠词“一”不排除多个这样的单元的存在。

Claims (18)

1.一种用于形成牙齿的增强图像的方法，包括：

(a)通过如下步骤从所述牙齿获得荧光图像数据：

(ai)朝所述牙齿引导入射光；

(aii)感测来自于所述牙齿的荧光发射；以及

(aiii)存储所述荧光图像数据中的每个像素位置的荧光图像数据值；

(b)通过如下步骤从所述牙齿获得反射图像数据：

(bi)朝所述牙齿引导入射光；

(bii)感测来自所述牙齿的反向散射反射光；以及

(biii)存储所述反射图像数据中的每个像素位置的反射图像数据值；以及

(c)通过如下步骤将所述荧光图像数据中的每个像素与其在所述反射图像数据中对应的像素结合：

(ci)由所述反射图像数据计算局部极大图像数据值；以及

(cii)根据所述荧光图像数据值与计算的所述局部极大图像数据值之间的差计算增强图像数据值；并且由此由得到的增强图像数据值的像素阵列形成所述增强图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，用于获取所述荧光图像数据的入射光的波长在300nm至500nm之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(b)中由白光LED发射所述入射光，而在步骤(a)中由UVLED发射所述入射光。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，基于采用灰度重构的形态学计算所述局部极大图像数据值。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述形态学为h-圆顶转换，并包括以下步骤：

(1)通过从掩模减去预定值来由掩模计算标记图像，所述掩模为所述反射图像数据的灰度形式；

(2)由所述标记图像计算所述掩模的灰度重构；以及

(3)通过从所述掩模减去(2)的结果来计算所述局部极大图像数据值。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述增强图像数据值计算步骤通过从所述荧光图像数据值减去所述局部极大图像数据值来执行。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，通过如下步骤执行所述增强图像数据值计算步骤：

(i)使所述荧光图像数据值与第一标量乘数相乘；

(ii)使所述局部极大图像数据值与第二标量乘数相乘；以及

(iii)从(i)的结果减去(ii)的结果，以获得所述增强图像数据值。

8.一种为龋齿检测形成牙齿的图像的方法，包括：

a)通过如下步骤从所述牙齿获得反射图像数据：

(ai)朝所述牙齿引导入射光；以及

(aii)感测来自所述牙齿的反向散射反射光；

(aiii)存储所述反射图像数据中的每个像素位置的反射图像数据值；以及

b)由所述反射图像数据计算局部极大图像，

其中，基于采用灰度重构的形态学计算所述局部极大图像，

其中，所述形态学为h-圆顶转换，其包括以下步骤：

(1)通过从掩模减去预定值来由掩模计算标记图像，所述掩模为所述反射图像数据的灰度形式；

(2)由所述标记图像计算所述掩模的灰度重构；以及

(3)通过从所述掩模减去(2)的结果来计算所述局部极大图像。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括显示所述局部极大图像的步骤。

10.根据权利要求8所述的方法，还包括由所述局部极大图像修改所述反射图像数据以产生修改的反射图像的步骤。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括显示所述修改的反射图像的步骤。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，修改所述反射图像数据的所述步骤包括由所述局部极大图像的对应像素值调节所述反射图像数据的像素值的步骤。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，修改所述反射图像数据的所述步骤包括描绘所述反射图像数据中的与所述局部极大图像中的局部极大值对应的区域的步骤。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，修改所述反射图像数据的所述步骤包括将伪彩色涂在所述反射图像数据中的与所述局部极大图像中的局部极大值对应的像素上的步骤。

15.根据权利要求5所述的方法，其中，所述预定值在40至70的范围之内。

16.根据权利要求8所述的方法，其中，所述预定值在40至70的范围之内。

17.一种用于形成牙齿的增强图像的设备，包括：

通过如下方式从所述牙齿获得荧光图像数据的装置：

(ai)朝所述牙齿引导入射光；

(aii)感测来自于所述牙齿的荧光发射；以及

(aiii)存储所述荧光图像数据中的每个像素位置的荧光图像数据值；

通过如下方式从所述牙齿获得反射图像数据的装置：

(bi)朝所述牙齿引导入射光；

(bii)感测来自所述牙齿的反向散射反射光；以及

(biii)存储所述反射图像数据中的每个像素位置的反射图像数据值；以及

通过如下方式将所述荧光图像数据中的每个像素与其在所述反射图像数据中对应的像素结合的装置：

(ci)由所述反射图像数据计算局部极大图像数据值；以及

(cii)根据所述荧光图像数据值与所述局部极大图像数据值之间的差计算增强图像数据值；并且由此由得到的增强图像数据值的像素阵列形成所述增强图像。

18.一种为龋齿检测形成牙齿的图像的设备，包括：

通过如下方式从所述牙齿获得反射图像数据的装置：

(ai)朝所述牙齿引导入射光；以及

(aii)感测来自所述牙齿的反向散射反射光；

(aiii)存储所述反射图像数据中的每个像素位置的反射图像数据值；以及

由所述反射图像数据计算局部极大图像数据值的装置，

其中，由所述反射图像数据计算局部极大图像数据值的装置基于采用灰度重构的形态学计算局部极大图像，

其中，所述形态学为h-圆顶转换，由所述反射图像数据计算局部极大图像数据值的装置按照下列方式计算所述局部极大图像：

(1)通过从掩模减去预定值来由掩模计算标记图像，所述掩模为所述反射图像数据的灰度形式；

(2)由所述标记图像计算所述掩模的灰度重构；以及

(3)通过从所述掩模减去(2)的结果来计算所述局部极大图像。