CN102488564A - 利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置，包括光源(2)、照明系统(4)、成像系统(5)、光路分束器(6)、成像装置(7)、高通滤光片(8)、面阵探测器(9)、控制系统(10)、显示装置(11)，光源(2)提供包含紫外光波段的光，光源(2)的投射光线方向依次安装照明系统(4)、光路分束器(6)、成像系统(5)，光源(2)发出的光经过照明系统(4)整形后，并经过光路分束器(6)及成像系统(5)后垂直照射在被测牙齿样本(1)上，所激发出的荧光经过成像系统(5)及光路分束器(6)后，被光路分束器(6)反射，荧光的入射光轴与分束镜(6)呈45度，光路分束器(6)反射方向依次安装成像装置(7)、高通滤光片(8)及面阵探测器(9)，面阵探测器(9)与控制系统(10)相联，控制系统(10)与显示装置(11)相联。

Description

利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置

技术领域

本发明属于口腔医学检测装置技术领域，具体涉及一种基于荧光面阵成像的牙菌斑检测装置。

背景技术

牙菌斑是一种粘附在牙齿表面或口腔其他软组织上的生物膜，包括大量的细菌、细胞间物质、脱落上皮细胞和食物残屑等，是龋病和牙周病的主要致病因素。因此，控制牙菌斑是预防口腔疾病的有效途径之一。但是，用肉眼很难观察到牙菌斑，目前对于牙菌斑的检测主要有以下几种：

1、菌斑取样体外测量法：通过精细器械刮取样本，离体状态下进行检测，其又可以分为传统的细菌培养法、PCR法、菌斑PH值检测法，此类方法属于体外测量法，上述三种方法各其有优缺点，但三者均需具备一定的实验条件，不易获得简单、可靠、全面、可重复、可视的测量结果。

2、埋藏电极遥测法：此法需要将微型电极埋入离体牙釉质小块，放入假牙中，可用于测量牙菌斑形成过程中的PH值动态变化。但，埋藏法的电极构造复杂、技术要求较高，且要求口腔必须有足够的空隙。

3、显示剂法：采用菌斑显示剂染色，可使附着在牙面的无色菌斑直观显示，该方法是临床上较为常用的检测方法，但该方法要求受试者口腔内涂抹或咀嚼染色剂，其检测结果受染色时间和颊部肌肉运动的影响；此外，记录的结果亦不具备直观、全面、定量特征。

利用荧光检测牙菌斑的方法已有相关专利技术公开。牙齿在紫外线激发下，由于本身含有的内源性荧光基团羟基磷灰石和有机物等，会产生峰值波长在500nm左右的可见光区域的自体荧光。荷兰Inspektor公司研发的QLF龋齿检测仪即是利用该原理开发。口腔内细菌构成的牙菌斑生物膜在紫外光激发下，由于存在卟啉素的原因，也会产生自体荧光。而且经研究发现，龋齿放线菌、中间拟杆菌、棒状杆菌和白色念珠菌等都可在405nm紫外光激发下的产生600-700nm的红色峰值荧光。因此，可以利用此现象对牙菌斑进行检测。

荧光的来源有内源性和外加荧光剂两种。美国专利文献US2011/0070561A1(“DENTAL PALQUE DETECTION SYSTEM AND DETNAL PLAQUEDETECTION METHOD”)和美国专利文献US2011/0151409(“device and methodfor detecting plaque in the oral cavity”)均采用添加外部的荧光剂，牙菌斑与之粘合在一起，通过一定波长的激发，探测荧光强度实现牙菌斑的检测。美国专利文献US006024562A(”device for the recognition of caries，plaque or bactrerialinfection on teeth”)利用牙齿内源性荧光基团在640-670nm之间的荧光强度的探测，点探测，也就是目前临床应用的德国KAVO公司研制的激光龋齿检测仪DIAGNOdent。

中国专利文献CN1309545公开了一种“用于牙菌斑检测的带有荧光装置的牙刷”，在牙齿表面扫描，激发光源波长在470±40nm，探测波长在约540-550nm和610-620nm。记录荧光强度，通过比较各点的荧光强度值，得到牙表面上的生物沉积在数量上的差别。但该发明通过对比不同牙齿表面的荧光能量来检测牙菌斑，具有相对性。

发明内容

本发明提供了一种利用牙齿自体荧光面阵成像的牙菌斑检测的无损检测装置，其名称为利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置，它能够对牙菌斑的分布和含量进行直接探测，并以图像的形式显示探测结果，具有无接触性、可视化、可定量等优点。

本发明采取以下技术方案：利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置，包括光源(2)、照明系统(4)、成像系统(5)、光路分束器(6)、成像装置(7)、高通滤光片(8)、面阵探测器(9)、控制系统(10)、显示装置(11)，光源(2)提供包含紫外光波段的光，光源(2)的投射光线方向依次安装照明系统(4)、光路分束器(6)、成像系统(5)，光源(2)发出的光经过照明系统(4)整形后，并经过光路分束器(6)及成像系统(5)后垂直照射在被测牙齿样本(1)上，所激发出的荧光经过成像系统(5)及光路分束器(6)后，被光路分束器(6)反射，荧光的入射光轴与分束镜(6)呈45度，光路分束器(6)反射方向依次安装成像装置(7)、高通滤光片(8)及面阵探测器(9)，面阵探测器(9)与控制系统(10)相联，控制系统(10)与显示装置(11)相联。

优选的，光源(2)与照明系统(4)之间设置一窄带滤光片(3)。

优选的，照明系统(4)为扩束装置或均匀化照明装置。

优选的，面阵探测器(9)为CCD或CMOS等数字式接收器，或者，为用于微弱信号探测的增强型CCD或CMOS接收器。

优选的，光源(2)的波长范围为360nm-410nm，荧光的波长为600nm-800nm。

优选的，控制系统(10)包括图像数据预处理模块、FIFO控制模块、FIFO存储器，图像数据预处理模块接收来自面阵探测器的数据，并进行数据格式的转化，送入FIFO存储器，在FIFO控制模块的控制下对数据进行暂存，并通过显示装置显示。

本发明还公开了另一种技术方案：利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置，包括光源(2)、照明系统(4)、成像系统(5)、光路转折器件(6)、成像装置(7)、高通滤光片(8)、面阵探测器(9)、控制系统(10)、显示装置(11)，光源(2)提供包含紫外光波段的光，光源(2)的投射光线方向安装照明系统(4)，经过照明系统(4)整形后倾斜照射在被测牙齿样本(1)上，所激发出的荧光经过成像系统(5)及光路转折器件(6)后，被光路转折器件(6)反射，荧光的入射光轴与光路转折器件(6)呈45度，光路转折器件(6)反射方向依次安装成像装置(7)、高通滤光片(8)及面阵探测器(9)，面阵探测器(9)与控制系统(10)相联，控制系统(10)与显示装置(11)相联。

优选的，光源(2)与照明系统(4)之间设置一窄带滤光片(3)。

优选的，控制系统(10)包括图像数据预处理模块、FIFO控制模块、FIFO存储器，图像数据预处理模块接收来自面阵探测器的数据，并进行数据格式的转化，送入FIFO存储器，在FIFO控制模块的控制下对数据进行暂存，并通过显示装置显示。

优选的，光路转折器件(6)是反光镜或直角棱镜。

本发明利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置，牙菌斑在紫外光激发下产生红光区域的荧光光谱，通过滤光片排除环境光和激发光的影响，仅对牙菌斑产生的红光光谱进行面阵成像，用以标识牙齿表面的菌斑分布和含量。本发明可以实现口腔牙菌斑的实时无损检测，并以数字图像的形式显示检测结果，具有可视化、非接触、交互性强等优点，可以用于龋齿的早期预防以及家庭日常口腔保健等。

利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置中，光源能够提供紫外光波段光谱，如发光二级管LED、激光器、连续光谱的氙灯、氘灯、钨灯等，在提取激发光的紫外光波段后，通过照明系统照射在牙齿表面，照明系统提供牙齿表面均匀照明结果，所激发的荧光包括牙齿本身的无机物和有机物以及牙菌斑的荧光基团的贡献，经过成像系统和光路分束器或光路转折装置后，牙齿表面成像在面阵探测器的接受面上，其中在面阵探测器和光路分束器或光路转折装置之间放置滤光装置，以排除激发光以及牙齿的自体荧光，只对牙菌斑产生的特征光谱进行成像。其强度反应菌斑的含量。面阵探测器获取的图像数据经过控制系统最终在液晶数字显示装置上实时显示图像结果。菌斑含量的多少可以用伪彩色表示。

本发明利用牙菌斑特征光谱的荧光面阵成像方法，其可以客观反应牙菌斑的分布情况，并以荧光强度标识菌斑的含量，最终的检测结果以图像的形式显示，对于指导口腔保健和预防口腔疾病具有重要意义。

附图说明

图1是实施例一的结构示意图。

图2是实施例二的结构示意图。

图3是实施例三的结构示意图。

图4是实施例四的结构示意图。

图5为控制系统(10)的功能模块及与面阵控制器、显示装置的联接图。

图中：1-被测牙齿样本；2-光源；3-窄带滤光片；4-均匀化照明装置；5-成像系统；6-光路转折器件/光路分束器件；7-成像装置；8-高通滤光片；9-面阵探测器；10-控制系统；11-液晶数字显示装置。

具体实施方式

利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置，根据光源和照明方式的不同，有多种实施例，下面结合附图，对以下几种典型的实施例予以详细说明：

实施例一：图1显示了光源为连续光源垂直照明的荧光面阵成像牙菌斑检测装置的实施例，其包括光源2、窄带滤光片3、均匀化照明装置4、成像系统5、光路分束器即分束镜6、成像装置7、高通滤光片8、面阵探测器9、控制系统10、液晶数字显示装置11，连续光源2提供包含紫外光波段的具有连续光谱的照明光，如氙灯、氘灯、钨灯等，光源2的投射光线方向依次安装窄带滤光片3、均匀化照明装置4、分束镜6、成像系统5，连续光源2发出的光经过紫外窄带滤光片3后提取出360-410nm波段内的激发紫外光，经过均匀化照明装置4对光束整形后，并经过分束镜6及成像系统5后垂直照射在被测牙齿样本1上，分束镜安置方向与入射光光轴方向呈45度。所激发出的荧光经过成像系统5及分束镜6后，被分束镜6朝面阵探测器9方向反射，分束镜6反射方向依次安装成像装置7、高通滤光片8及面阵探测器9，被测牙齿样本1和面阵探测器9的接收面物象共轭。经成像装置7及高通滤光片8后，被面阵探测器9接收，从而激发出的荧光经过成像系统5及成像装置7成像在面阵探测器9的接收面上。面阵探测器9为CCD或CMOS等数字式接收器，或者，为用于微弱信号探测的增强型CCD或CMOS接收器。在被测牙齿样本1与面阵探测器9间设置分束镜6，以实现对入射的紫外激发光透射，对激发出的可见光波段反射。在面阵探测器前设置高通滤光片8以提取600-800nm之间的牙菌斑特征荧光。面阵探测器9与控制系统10相联，控制系统10又与液晶数字显示装置11相联，液晶数字显示装置11是独立于个人计算机的数字式显示装置。面阵探测器9获得的图像数据由控制系统10控制，并通过液晶数字显示装置11以图像的形式显示探测结果。控制系统10负责对图像数据的转换、存储，图5是基于FPGA的控制系统的原理框图及其与面阵探测器、液晶数字显示装置的连接图，控制系统10包括图像数据预处理模块、FIFO控制模块、FIFO存储器，其前端与CMOS或CCD数字图像探测器相连，其后端与液晶数字显示装置相连。图像数据预处理模块接收来自CMOS或CCD数字图像探测器的数据，并进行数据格式的转化，送入FIFO存储器，在FIFO控制模块的控制下对数据进行暂存，并按照液晶数字显示装置的要求进行显示。控制系统10所包括图像数据预处理模块、FIFO控制模块、FIFO存储器都可以采用现有技术。

实施例二：图2显示了光源为窄带紫外光源垂直照明的荧光面阵成像牙菌斑检测装置的实施例结构示意图，其光源2为紫外波段的窄带光源，如发光二极管LED、激光器等。

紫外窄带光源2发出360-410nm之间的激发光经过均匀化照明装置4对光束整形后垂直照射在被测牙齿样本1上。激发出的荧光经过成像系统5和成像装置7成像在面阵探测器9的接收面上。在被测牙齿样本1和面阵探测器9间设置分束镜6，以实现对入射的紫外激发光透射，对激发出的可见光波段反射。在面阵探测器前设置滤光片8提取600-800nm之间的牙菌斑特征荧光。

与实施例一相比，本实施例无窄带滤光片3，其它内容可参考实施例一。

实施例三：图3显示了光源为连续光源倾斜照明的荧光面阵成像牙菌斑检测装置的实施例结构示意图，其包括光源2、窄带滤光片3、均匀化照明装置4、成像系统5、光路转折器件6(其可以是反光镜、直角棱镜)、成像装置7、高通滤光片8、面阵探测器9、控制系统10、液晶数字显示装置11，连续光源2提供包含紫外光波段的具有连续光谱的照明光，如氙灯、氘灯、钨灯等，光源2的投射光线方向依次安装窄带滤光片3、均匀化照明装置4，连续光源2发出的光经过紫外窄带滤光片3后提取出360-410nm波段内的激发紫外光，经过均匀化照明装置4对光束整形后倾斜照射在被测牙齿样本1上，倾斜角度以能够提供牙齿样本上表面照明为准。所激发出的荧光投射方向依次安装成像系统5、光路转折器件6，光路转折器件6安置方向与入射光光轴方向呈45度。所激发的荧光经过成像系统5及光路转折器件6后，被光路转折器件6朝面阵探测器9方向反射，光路转折器件6反射方向依次安装成像装置7、高通滤光片8及面阵探测器9，被测牙齿样本1和面阵探测器9的接收面物象共轭。经成像装置7及高通滤光片8后，被面阵探测器9接收，从而激发出的荧光经过成像系统5及成像装置7成像在面阵探测器9的接收面上。面阵探测器9为CCD或CMOS等数字式接收器，或者，为用于微弱信号探测的增强型CCD或CMOS接收器。在面阵探测器前设置高通滤光片8以提取600-800nm之间的牙菌斑特征荧光。面阵探测器9与控制系统10相联，控制系统10又与液晶数字显示装置11相联，液晶数字显示装置11是独立于个人计算机的数字式显示装置。面阵探测器9获得的图像数据由控制系统10控制，并通过液晶数字显示装置11以图像的形式显示探测结果。

本实施例其它内容可参考实施例一。

实施例四：图4显示了光源为窄带光源倾斜照明的荧光面阵成像牙菌斑检测装置的实施例结构示意图。窄带光源2如发光二极管LED、激光器等发出的360-410nm之间的激发光经过均匀化照明装置4对光束整形后倾斜照射在被测牙齿样本1上。激发出的荧光经过成像系统5、光路转折器件6、成像系统7、高通滤光片8后成像在面阵探测器9的接收面上。在面阵探测器前放置滤光片8，以提取600-800nm之间的牙菌斑特征荧光。

与实施例三相比，本实施例无窄带滤光片3，其它内容可参考实施例三。

本发明利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置，其利用紫外光源照射牙齿表面，牙齿和牙菌斑均产生自体荧光，利用牙菌斑产生的特征荧光作为其存在的标识，通过对特定波段的至少一颗牙齿表面的荧光分布进行成像，并以数字图像的形式显示牙菌斑的分布和含量情况。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置，其特征是包括光源(2)、照明系统(4)、成像系统(5)、光路分束器(6)、成像装置(7)、高通滤光片(8)、面阵探测器(9)、控制系统(10)、显示装置(11)，光源(2)提供包含紫外光波段的光，光源(2)的投射光线方向依次安装照明系统(4)、光路分束器(6)、成像系统(5)，光源(2)发出的光经过照明系统(4)整形后，并经过光路分束器(6)及成像系统(5)后垂直照射在被测牙齿样本(1)上，所激发出的荧光经过成像系统(5)及光路分束器(6)后，被光路分束器(6)反射，荧光的入射光轴与分束镜(6)呈45度，光路分束器(6)反射方向依次安装成像装置(7)、高通滤光片(8)及面阵探测器(9)，面阵探测器(9)与控制系统(10)相联，控制系统(10)与显示装置(11)相联。

2.如权利要求1所述的利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置，其特征是：所述的光源(2)与照明系统(4)之间设置一窄带滤光片(3)。

3.如权利要求1或2所述的利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置，其特征是：所述的照明系统(4)为扩束装置或均匀化照明装置。

4.如权利要求1所述的利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置，其特征是：面阵探测器(9)为CCD或CMOS等数字式接收器，或者，为用于微弱信号探测的增强型CCD或CMOS接收器。

5.如权利要求1或2所述的利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置，其特征是：光源(2)的波长范围为360nm-410nm，所述荧光的波长为600nm-800nm。

6.如权利要求1所述的利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置，其特征是：所述的控制系统(10)包括图像数据预处理模块、FIFO控制模块、FIFO存储器，图像数据预处理模块接收来自面阵探测器的数据，并进行数据格式的转化，送入FIFO存储器，在FIFO控制模块的控制下对数据进行暂存，并通过显示装置显示。

7.利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置，其特征是包括光源(2)、照明系统(4)、成像系统(5)、光路转折器件(6)、成像装置(7)、高通滤光片(8)、面阵探测器(9)、控制系统(10)、显示装置(11)，光源(2)提供包含紫外光波段的光，光源(2)的投射光线方向安装照明系统(4)，经过照明系统(4)整形后倾斜照射在被测牙齿样本(1)上，所激发出的荧光经过成像系统(5)及光路转折器件(6)后，被光路转折器件(6)反射，荧光的入射光轴与光路转折器件(6)呈45度，光路转折器件(6)反射方向依次安装成像装置(7)、高通滤光片(8)及面阵探测器(9)，面阵探测器(9)与控制系统(10)相联，控制系统(10)与显示装置(11)相联。

8.如权利要求7所述的利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置，其特征是：所述的光源(2)与照明系统(4)之间设置一窄带滤光片(3)。

9.如权利要求7所述的利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置，其特征是：所述的控制系统(10)包括图像数据预处理模块、FIFO控制模块、FIFO存储器，图像数据预处理模块接收来自面阵探测器的数据，并进行数据格式的转化，送入FIFO存储器，在FIFO控制模块的控制下对数据进行暂存，并通过显示装置显示。

10.如权利要求7所述的利用荧光面阵成像的牙菌斑检测装置，其特征是：所述的光路转折器件(6)是反光镜或直角棱镜。

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