CN102613954A - 具有偏振光和非偏振光的口腔内窥镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供具有围绕光轴对称地引导光的照明系统的口腔内成像装置。第一阵列包括在第一角度范围内引导光的多色光源。第二阵列包括多色光源，与偏振器配对的、所述第二阵列中的每个光源在窄于所述第一角度范围的第二角度范围内引导光。第三阵列包括在所述第二角度范围内引导光的UV光源。沿光路径布置具有成像透镜系统的集光器件以向检测器引导反射光，所述检测器被布置用于从所述反射光形成图像数据。分析器使其透射轴定向为与所述偏振器正交以减少镜面反射。长通滤光器阻挡来自所述第三阵列光源的反射紫外光。

Description

具有偏振光和非偏振光的口腔内窥镜

技术领域

本发明一般地涉及诊断成像领域并且更具体地涉及提供适用于成像的多种类型的光源的口腔内窥镜。

背景技术

虽然已在检测、治疗和预防技术方面有提高，但是龋齿仍然是影响所有年龄段的人的普遍情况。如果没有正确并且及时地得到治疗，龋齿可能导致牙齿损坏并且可能导致牙齿缺失。

龋齿检测的传统方法包括肉眼检查和用灵敏的牙科探测设备进行触觉探查，这常常由射线照相(x射线)成像辅助。使用这些方法的检测可能是颇为主观的，由于很多因素而在准确度上有所不同，包括医生的专业知识、受感染的部位的位置、感染的范围、查看条件、x射线设备和处理的准确度以及其他因素。还有与常规的检测技术相关联的危害，包括使用触觉方法而损坏变弱的牙齿并且扩大感染以及暴露于x射线辐射的风险。到龋齿在肉眼和触觉检查下很明显的时候，疾病可能已处于晚期，需要补牙并且如果没有及时治疗，则有可能导致牙齿缺失。类似地，早期的口腔癌症检测是理想的目标。

响应于对这些情况的早期检测的需要，对不采用电离辐射(诸如x射线)的改进的成像技术有相当大的兴趣。更早的成像系统采用白光反射来检测龋齿和口腔癌症情况。然而，由于相对差的性能，这些系统几乎没有获得成功或在牙科专业人员中被接受。

认识到使用白光反射的困难，研究人员转向采用荧光的方法，这种荧光在用高强度紫外(UV)光照射牙齿时产生。一种这样的技术被称作定量光导荧光(QLF)，其操作的原理是健全的、健康的牙釉质在一些波长的激发下比已被龋齿感染损坏的去矿物质的釉质产生更高强度的荧光。矿物质缺失与UV光激发所得到的荧光的缺失之间的强相关性进而被用于标识和评估牙齿的龋病区域。对于红光激发已找到不同的关系，所述红光是龋病区域中的细菌和细菌的副产品比健康区域更显著地吸收并且发荧光的谱范围。类似地，口腔癌症病变就激发光而言以与正常组织不同方式响应。基于诸如荧光图像等牙齿的数字图像对龋齿的定量分析提供了关于病变区域的严重性的数值信息，并且可以帮助牙医制定和执行治疗方案。它在对龋齿的纵向监测方面可能是有用的工具，使得牙医能够观察每个病变区域随时间的演变。

虽然荧光成像相对于使用白光反射的成像方法示出了几分提高的准确度，但是结果并没有显示出足以得到普遍接受的改进。

在共同受让的美国专利申请公开No.2008/0056551中所描述的对使用反射或荧光的方法的改进结合了牙齿的反射和荧光图像两者来检测龋齿。这种方法对于初期的龋齿利用观察到的反向散射或反射并且结合荧光效应来提供改进的牙科成像技术以检测龋齿。被称为具有反射增强的荧光成像(FIRE)的技术相对于更早的方法而言有助于提高图像的对比度，并且还使得在预防措施有可能见效的阶段检测到初期龋齿成为可能。有利地，FIRE检测与利用仅测量荧光的现有荧光方法相比能够在龋齿感染和口腔癌症的更早期阶段展现准确度。该申请描述了用于从反射和荧光数据产生FIRE图像的降低速度的方法。

除了直接用于诊断成像的图像捕捉，各种类型的口腔内窥镜(intra-oral camera)还被开发用于获取口腔内的牙齿和软组织表面的图像，作为更一般的口腔内观察的一部分。这种能力例如被用于支持牙周病学、口腔正畸学以及整形牙科学。

如表1的内容所示，对诊断成像的照明要求在数个方面与对口腔内观察的成像要求冲突。举例来说，虽然观察和诊断功能都使用宽波段的白色光源，但是就角度、距离和均匀性而言对光的调节是不同的。图1A示出了用于常规的口腔内成像的以角度α1和可变距离D1的照明分布。比较起来，图1B示出了用于诊断FIRE成像的更窄的照明分布角度α2和固定距离D2。

常规成像是对偏振不敏感的，而诊断成像使用偏振光以减少镜面反射。常规成像只使用白光，而诊断FIRE成像使用快速连续拍摄的、相结合的白光与荧光图像。镜面反射对于常规的口腔内成像而言是可接受的，但是对于诊断成像而言是所不希望的。

提供对于操纵和接近每颗牙齿和口腔的其他区域体积足够小的成像设备的固有问题增加了为观察和诊断成像提供不同的照明源和治疗的复杂性。

面对这些冲突的照明要求并且由于所需要的体积非常小的封装，独立的成像设备已被开发用于观察和诊断成像功能。这又对牙科医生设置了高的成像成本。由此，可以看到的是同时支持常规的口腔内观察和诊断FIRE成像两者的单个成像装置将有优势。

表1

冲突照明要求概要

发明内容

本发明的目标是通过提供能够同时提供常规的口腔内图像和诸如FIRE图像的诊断图像两者的单个成像装置来改进牙科成像技术。

本发明的另一目标是提供适用于观察和诊断图像的具体要求的、产生多种类型的光并且以不同角度产生多种类型的光的小型照明子系统。

本发明的优点是为口腔内成像装置提供小体积封装的照明布置。

这些目标仅是以示意性举例的方式给出，并且这样的目标可以是对本发明的一个或更多个实施例的示范。通过所公开的发明固有地实现的其他理想的目标和优点可以被本领域的技术人员想到或者对他们而言变得显而易见。本发明由所附权利要求限定。

根据本发明的一个方面，口腔内成像装置被提供，该口腔内成像装置包括：照明系统，所述照明系统被布置用于围绕光轴对称地引导(direct)光并且所述照明系统包括：包括多个多色光源的第一阵列，其中围绕所述光轴布置所述由多色光源构成的第一阵列以在第一角度范围内引导光；包括多个多色光源的第二阵列，其中围绕所述光轴布置所述由多色光源构成的第二阵列并且其中将所述第二阵列中的每个光源与偏振器配对以在窄于所述第一角度范围的第二角度范围内引导光；包括多个紫外光源的第三阵列，围绕所述光轴布置所述第三阵列以用于在所述第二角度范围内引导光。所述口腔内成像装置还包括集光器件(collection optics)，沿光路径布置所述集光器件以用于向检测器引导反射光，所述检测器被布置用于从所述反射光形成图像数据。所述集光器件包括：分析器、长通滤光器以及成像透镜系统，其中所述分析器使其透射轴定向为与所述偏振器正交以减少镜面反射，所述长通滤光器(long pass filter)被布置用于阻挡来自所述第三阵列光源的反射紫外光。

有利地，本发明的装置可以被实现在能够被用于向患者提供不同类型的图像的小体积封装中。当从一种类型的成像变为另一种类型的成像时，所述光学系统不需要操作者进行重新配置。

附图说明

本发明的前述和其他目标、特征以及优点将从以下对本发明的实施例更具体的描述中变得明显，如附图所示。图中的元件不一定相对彼此成比例。

图1A示出了用于常规的口腔内成像的以某一角度和可变距离的照明分布。

图1B示出了用于诊断成像的更窄的照明分布角度和固定距离。

图2示出了本发明的一个实施例中的口腔内成像装置的组件。

图3示出了用于口腔内成像装置的照明系统的平面图。

图4是示出被配置用于口腔内观察的口腔内成像装置的示意图。

图5是示出被配置用于获取荧光图像数据的口腔内成像装置的示意图。

图6是示出被配置用于获取反射图像数据的口腔内成像装置的示意图。

图7是示出一个实施例中的反射器的侧视图。

图8是示出图7的反射器与照明系统组件在一起的透视图。

图9是示出沿场的中心增加照明的可替换的实施例的示意图。

具体实施方式

以下是对本发明的优选实施例的详细描述，对附图进行了参考，其中相同的参考标号在若干幅图的每一幅中标识结构的相同元件。术语“第一”、“第二”等在它们被使用的地方不一定表示任何顺序或优先级关系，而仅仅被用于更清楚地将元件彼此区分开。

在本公开内容的上下文中，术语“白光”和“多色光”被认为是同义的。白色光源可以是单个LED或其他源或者可以是具有多个LED或不同颜色的其他源的组合的布置。用在FIRE成像中以激发荧光响应的紫外(UV)光通常具有低于大约400nm的波长。

图2的示意性框图示出了获取具有相结合的荧光和反射数据的诊断FIRE图像和常规的观察图像两者的口腔内成像装置10的组件。照明系统20含有用于每个成像功能的光源。对于观察成像，照明系统20以相对大的角度向照明场34引导白光。对于龋齿和口腔癌症检测，照明系统20向更小的照明场30引导经偏振的多色光或白光以及短波长的UV光。短波长的光处于UV或近UV波段，在一个实施例中诸如为400nm波长。反射器50有助于为不同的照明源中的每一个提供所需的光分布，将在后面更详细地描述该反射器。成像集光器件在图2中被示出为成像透镜14和16，其进而沿光轴O向检测器12引导从牙齿或其他结构所产生的图像内容，所述检测器为诸如电荷耦合器件(CCD)检测器、互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器或可激励用于形成图像的其他图像传感器阵列。在模式开关46或者选择观察成像或诊断成像的其他信号的控制下，控制逻辑处理器40控制光源在照明系统20中的致动(actuation)和从检测器12对图像数据的采集，所述控制逻辑处理器可以与口腔内成像装置10内的光学、照明和感测组件封装在一起，或者可以处于这个设备外部并且以某种方式与该设备连接。可选的开关52或适合的信号为图像捕捉提供指令。在一个实施例中，开关52被安装在口腔内成像装置10的主体上。由相结合的偏振白光和UV光图像数据所形成的诊断图像可以被存储在计算机可读存储介质中以用于随后的显示和处理。显示器48示出了所获取的观察或诊断图像。

图3示出了用于在三个不同的时间并且以用于诊断和成像目的的两个角度范围中的任意一个提供三种不同类型的光的照明系统20的正视平面图。右侧的A-A视图示出了三种类型的光源，每种类型的光源都呈放射状地排列为可以作为一个单元被激励的光源组或光源阵列。由多色或白色LED 22或其他白色光源构成的第一阵列被提供用于支持口腔内的观察成像。由LED 22构成的阵列被布置在最接近光轴O处。由多色或白色LED 24构成的第二阵列提供用于诊断FIRE成像的光；每个白色LED 24都配备有偏振器28。由UV LED 26构成的第三阵列提供了用于获取FIRE图像的荧光分量的激发光。孔32允许来自牙齿或其他表面的反射光和荧光穿过，从而到达集光器件。

图4、5和6的示意图示出了口腔内成像装置10在每种成像模式下的操作。对于这些图的每一个中的实施例，使用反射表面沿光轴O在光路径上提供折叠(fold)，所述反射表面被示为折叠镜36。光轴的这种可选的折叠有助于使口腔内成像装置10在患者的口腔中更容易使用。为了清楚起见，此前在图2中所示的控制逻辑处理器40没有在图4-6中示出，但是将通过某种类型的集成的或外部的逻辑处理设备来提供，举例来说诸如微处理器或计算机。可替换地，可以在多个处理器之间分配控制逻辑处理器40的功能，举例来说包括连网的处理器。

图4示出了口腔内成像装置10为常规的口腔内成像功能而进行的操作。出于这个目的，控制逻辑致动(actuate)由白色LED 22构成的阵列以便沿光轴O在相对大的角度范围内向照明场34提供照明，所述相对大的角度范围举例来说诸如为80度。这种布置对于常规的口腔内查看最有效，同时不产生诊断数据。白色LED 22光源不是偏振的。非偏振的光为牙齿和组织表面并且为正好在所述表面之下的牙齿和组织的部分提供了最自然的照明。分析器44也被定位在成像路径上，但是对于常规的口腔内检查而言不是所需的。分析器44和长通滤光器42对于常规的查看而言不是所需的，并且可以按需要交替地切换进入或离开光路径，这取决于在任何时间所需的成像功能。

图5示出了口腔内成像装置10为获取诸如FIRE图像的荧光图像分量等荧光图像而进行的操作。出于这个目的，控制逻辑致动由UVLED 26构成的阵列以便在减小的角度范围内向照明场30提供照明，所述减小的角度范围与图4中的用于口腔内成像的照明角度范围相比更窄。长通滤光器42沿光路径被插入以用于使反射的UV激发光衰减并且使所射出的荧光通过，所射出的荧光通常具有绿色波长。

图6示出了口腔内成像装置10为获取诸如FIRE图像的白光图像分量等偏振白光图像而进行的操作。出于这个目的，控制逻辑致动由白色LED 24构成的阵列以便在减小的角度内向照明场30提供偏振的照明，所述减小的角度大体上与用于获取图5中的荧光图像的角度范围相同。每个LED 24与偏振器28配对。分析器44沿光路径被插入以用于获取偏振白光图像，从而有助于消除镜面反射。

对于口腔内成像装置10的设计的一个难题涉及从不同的LED源阵列获取所需的照明分布和光效率(light efficiency)。图4中的实施例可能没有提供足够的照明均匀性并且其效率可能较低。这是因为来自LED的大部分光可能被引导到成像区域外部而因此被损失。图7示出了被配置用于以适合的角度从照明系统20向外引导光的反射器50的侧视图。在图7中以及在图8的透视图中，UV光路径被表示。可以看到的是反射器50被布置用于以比从被布置在更靠近照明系统20的中心处的白色LED 22所提供的光方向窄的角度向外改变UV光的方向。在一个实施例中，UV LED 26和白色LED 24朝反射器50倾斜，从而改进了反射器50的光引导特性。反射器50可以是椭圆形的、抛物线形的或某种其他适合的形状。反射器50不仅提高了照明均匀性，而且还在光效率方面提供了显著的提高。

用在所描述的实施例中的光源是LED，其优点在于诸如低成本、寿命长以及封装体积小等特征。然而，其他光源，或者LED与其他类型的光源的某种组合可以替代地被使用。白光或多色光可以由具有相同谱输出的LED提供，或者可以由不同颜色的多个LED或其他光源的组合提供。

因为对于照明的传播或扩展可用的距离有限，可能难以在含有待成像的牙齿或其他对象的场内提供适合的均匀性。在LED或其他光源围绕光轴定位的情况下，所述场的中心可能照明不足，特别是在牙齿或其他对象相对靠近光源的地方。图9的示意图示出了可替换的实施例，其通过沿所述场的中心增加照明来帮助校正这种类型的情况。这种布置在偏振的白色光源和UV光源被使用的地方特别有用。

参照图9，偏振光束分离器38被用于折叠光路径。对于诊断成像，一个或多个额外的白色LED 22a引导光通过偏振光束分离器38以补充所述场的中心处的照明。对于荧光成像，一个或多个额外的UV LED26a被激励以向所述中心引导光。偏振光束分离器38的透射轴与偏振器28的透射轴平行。通过孔32返回的光与在其他解决方案的情况下一样转向集光器件。

图2所示的并且在图4-6和9的实施例中所使用的控制逻辑处理器40可以执行观察和诊断成像所需的图像处理，包括FIRE图像处理。可选地，图像采集和处理可以由外部的计算机或其他逻辑处理器来执行，包括连网的处理器。所获取的图像可以即时显示，也可以上传并且存储用于随后的处理和显示。

通过在小体积封装中提供不同类型的照明，本发明的实施例简化了技术人员获取FIRE图像的工作流程。例如，为了开始成像会话，技术人员启用观察成像模式，在患者的口腔中定位口腔内成像装置10直到它接近需要FIRE图像的牙齿。在这个定位阶段期间，技术人员观察显示器48(图2)。白色LED 22(图4)被激励以得到连续的一系列图像中的每一个。一旦装置按需要定位，技术人员就输入命令来获取FIRE图像，在一个实施例中使用按钮控制来输入。UV LED 26和偏振的白色LED 24快速连续地被激励(按任一顺序)以便FIRE图像可以被获取。

本发明的装置和方法可以被用于获取一个或更多个图像的集合以得到信息或者用于诊断。相同的图像集光器件和图像检测器12被用于每种图像类型，无论是使用非偏振的多色光、偏振的多色光、还是UV光。

已具体地参考当前优选的实施例详细地描述了本发明，但是将理解的是可以在本发明的精神和范围内实现变化和修改。例如，在图2、4-6和9的实施例中由两个透镜14和16示意性地表示的用于成像的集光器件可以包括任何适合数量的光引导组件。诸如长通滤光器42和分析器44的组件可以通过使用电流测定的致动器(actuator)54(图9)或其他致动设备按不同成像功能的需要交替地切换进入或离开光路径。大量可能的机制可以被用于操作者指令输入和模式选择。偏振光源可以代替与偏振器28配对的白色光源被使用。当前所公开的实施例由此在所有方面都应被认为是示意性的而并非限制性的。本发明的范围由所附的权利要求指示，并且在其等价的含义和范围内的所有变化都意图被包含在其中。

部件列表

10.口腔内成像装置

12.检测器

14，16.透镜

20.照明系统

22，22a.白色LED

24.白色LED

26，26a.UV LED

28.偏振器

30、34.照明场

32.孔

36.折叠镜

38.偏振光束分离器

40.控制逻辑处理器

42.长通滤光器

44.分析器

46.模式开关

48.显示器

50.反射器

52.开关

54.致动器

α1，α2.角度

D1，D2.距离

O.光轴

Claims (10)

1.一种口腔内成像装置，所述装置包括：

照明系统，其被布置用于围绕光轴对称地引导光并且所述照明系统包括：

包括多个多色光源的第一阵列，其中围绕所述光轴布置所述由多色光源构成的第一阵列以在第一角度范围内引导光；

包括多个多色光源的第二阵列，其中围绕所述光轴布置所述由多色光源构成的第二阵列并且其中将所述第二阵列中的每个光源与偏振器配对以在窄于所述第一角度范围的第二角度范围内引导光；以及

包括多个紫外光源的第三阵列，围绕所述光轴布置所述第三阵列以在所述第二角度范围内引导光；以及

集光器件，沿光路径布置所述集光器件以向检测器引导反射光，所述检测器被布置用于从所述反射光形成图像数据，所述集光器件包括：

分析器，所述分析器使其透射轴定向为与所述偏振器正交以减少镜面反射；

长通滤光器，其被布置用于阻挡来自所述第三阵列光源的反射紫外光；以及

成像透镜系统。

2.如权利要求1所述的口腔内成像装置，其还包括致动器，所述致动器将所述分析器和所述长通滤光器中的一个或两个定位在适当的位置以用于在所述由多色源构成的第二阵列被激励时获取图像。

3.如权利要求1所述的口腔内成像装置，其中所述第二阵列中的每个光源相对于所述光轴位于所述第一光源阵列的外部。

4.如权利要求1所述的口腔内成像装置，其中所述第三阵列中的每个光源相对于所述光轴位于所述第一光源阵列的外部。

5.如权利要求1所述的口腔内成像装置，其中所述第一、第二或第三光源阵列中的至少一个中的至少一个光源是发光二极管。

6.如权利要求1所述的口腔内成像装置，其中所述第一角度范围在80度以内。

7.一种口腔内成像装置，所述装置包括：

照明系统，其围绕光轴对称地引导光，所述照明系统包括：

包括多个多色光源的第一阵列，其中围绕所述光轴布置所述第一阵列以在第一角度范围内引导光；

包括多个多色光源的第二阵列，其中围绕所述光轴布置所述第二阵列并且其中将所述多色光源中的每一个与偏振器配对以在窄于所述第一角度范围的第二角度范围内引导光；

包括多个紫外光源的第三阵列，其被布置用于在所述第二角度范围内引导光；以及

反射器，其被布置用于朝预先限定的场至少改变来自所述第二和第三阵列的光的方向；

偏振光束分离器，其被布置用于折叠所述光轴；

至少一个额外的光源，其被布置用于引导光通过所述偏振光束分离器并且沿所述光轴引导光；以及

集光器件，沿被折叠的光轴布置所述集光器件以向检测器引导反射光，所述检测器被布置用于从所述反射光形成图像数据，所述集光器件包括：

分析器，所述分析器使其偏振透射轴定向为相对于所述偏振器正交以减少镜面反射；

发射滤光器，其被布置用于阻挡来自所述第三阵列光源的反射紫外光；以及

成像透镜系统。

8.一种用于口腔内成像装置的照明系统，所述照明系统包括：

包括围绕光轴呈放射状地排列的多个多色光源的第一阵列；

包括围绕所述光轴呈放射状地排列的多个多色光源和偏振器的第二阵列；

包括围绕所述光轴呈放射状地排列的多个紫外光源的第三阵列；以及

至少一个额外的多色光源和至少一个额外的紫外光源，这两个额外的光源引导光通过偏振光束分离器并且沿所述光轴引导光。

9.如权利要求8所述的照明系统，其还包括反射器，所述反射器被布置在所述第一、第二和第三阵列与所述偏振光束分离器之间。

10.一种用于获取口腔内图像的集合的方法，所述方法包括：

在将口腔内成像装置在患者口腔中定位期间，激励由多色光源构成的第一阵列，获取一个或多个图像并且显示所述一个或多个图像；以及

响应操作者的指令来激励由多色光源构成的第二阵列和由紫外光源构成的第三阵列，获取额外的图像数据并且将结果得到的图像数据存储在计算机可读存储介质中用于处理。

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